ฉันจะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมในบ้านของฉันได้อย่างไร

ฉันจะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมในบ้านของฉันได้อย่างไร

เครดิตฟรี

เฟรมเวิร์กการเข้าถึงแบบเปิด เช่น Qiskit ช่วยให้คุณสามารถตั้งโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมบนระบบคลาวด์ และคุณเป็นผู้กล้าได้กล้าเสียที่มีความคุ้นเคยกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม ดังนั้น ถ้าคุณบังเอิญพบว่าตัวเองต้องการอะไรทำ ลองเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่คุณสร้างขึ้นเองดูไหม

สล็อต

ควรจะกล่าวถึงก่อนที่ฉันจะเริ่มในทางเทคนิค คุณไม่สามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งรันอัลกอริธึมควอนตัมในบ้านของคุณ (เว้นแต่คุณจะมีเงินหลายล้านดอลลาร์ เข้าถึงสิ่งอำนวยความสะดวกด้านการผลิตและการวิจัย และเวลาทุ่มเทมากมาย ในกรณีนี้ เราอาจต้องการความช่วยเหลือจากคุณมากกว่าวิธีอื่น) อย่างไรก็ตาม ด้วยงบประมาณที่เพียงพอ เวลาว่าง และบทเรียนบางส่วนเกี่ยวกับเลนส์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ DIY คุณสามารถสร้างระบบควอนตัมที่เรียบง่ายและตั้งโปรแกรมให้ใช้งานประตูควอนตัมสองสามตัวได้ คุณยังสามารถใช้ Qiskit เพื่อควบคุมอุปกรณ์ของคุณได้ด้วยการทำงานเพียงเล็กน้อย มาเริ่มกันเลย:
คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร?
แน่นอนว่ามันจะช่วยให้รู้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไรก่อนที่จะพยายามสร้างมันขึ้นมา คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นระบบที่จัดเก็บและจัดการข้อมูลโดยแสดงด้วยคุณสมบัติโดยกำเนิดของระบบควอนตัมโดยพื้นฐานแล้ว คอมพิวเตอร์คลาสสิกจะคำนวณด้วยบิต 0 และ 1 สถานะที่แสดงด้วยแรงดันไฟฟ้าในทรานซิสเตอร์ คอมพิวเตอร์ควอนตัมคำนวณด้วยควอนตัมบิตหรือคิวบิต สถานะ 0 และ 1 แทนด้วยสถานะที่แตกต่างกันสองสถานะของระบบควอนตัม เช่น อิเล็กตรอนเติมหนึ่งในสองระดับพลังงานปรมาณู
พลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าในระหว่างการคำนวณ qubits มีปฏิสัมพันธ์โดยใช้คณิตศาสตร์แบบเดียวกับที่ควบคุมว่าอนุภาคย่อยของอะตอมเช่นอิเล็กตรอนหรือโฟตอนทำงานอย่างไร รูปแบบที่มีข้อจำกัดของพีชคณิตเชิงเส้นบวกความน่าจะเป็นเชิงเส้นนี้อธิบายว่า qubits เข้าสู่ superposition อย่างไร หมายความว่าพวกมันใช้สถานะหลายสถานะพร้อมกัน พัวพัน ซึ่งหมายความว่าสถานะควอนตัมของสอง qubits มีความสัมพันธ์กันอย่างแน่นแฟ้นกว่าคู่เหรียญพลิกกลับที่ไม่เกี่ยวข้องกัน และแทรกแซง หมายความว่าการรวมกันของสถานะ qubit บางอย่างอาจมีแนวโน้มมากขึ้นในขณะที่บางสถานะถูกห้ามในการวัด ผลลัพธ์ของการคำนวณควอนตัมจะเป็น 0 และ 1 เสมอ
การควบคุมระบบควอนตัมนั้นพูดง่ายกว่าทำมาก นักฟิสิกส์ David DiVincenzoได้เสนอชุดเกณฑ์ห้าเกณฑ์ที่อุปกรณ์ต้องปฏิบัติตามเพื่อให้ได้ชื่อเล่น “คอมพิวเตอร์ควอนตัม” อย่างแท้จริง หนึ่งต้องสามารถสร้าง qubits ที่ควบคุมได้ ปรับขนาดได้ รักษาควอนตัม-ness ให้นานพอที่จะคำนวณได้จริง สามารถทำชุดปฏิบัติการสากล (gates) ได้ และแต่ละรายการต้องสามารถ ที่จะวัด หลังจากการวิจัยหลายทศวรรษและเงินจำนวนมาก นักวิจัยเพิ่งเริ่มผลิตอุปกรณ์ที่ตรงตามเกณฑ์เหล่านี้
เมื่อพิจารณาถึงความท้าทายที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสร้างต่อนักวิจัย เราสามารถพูดได้อย่างปลอดภัยว่าเราไม่สามารถรวมอุปกรณ์ควอนตัมแบบโฮมเมดที่ยึดตามเกณฑ์ของ DiVincenzo เข้าด้วยกันได้ ลองตั้งเป้าหมายให้ต่ำลงหน่อย เรามาลองคิดค้นระบบควอนตัมที่เราสามารถควบคุม จัดการ และวัดผล โดยใช้ชิ้นส่วนหรือทรัพยากรที่เราหาซื้อได้เอง
สร้าง Qubits จากโฟตอนและส่วนประกอบออปติคัล
วันนี้ นักฟิสิกส์ในสถาบันการศึกษา ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ และบริษัทต่างๆ กำลังดำเนินการตามสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เรียกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมโฟโตนิก (photonic quantum computing) ซึ่งเก็บข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติของโฟตอนหรืออนุภาคแสง เนื่องจากส่วนประกอบทางแสงนั้นหาซื้อได้ง่าย คอมพิวเตอร์ควอนตัมโฟโตนิกจึงเป็นระบบควอนตัมที่ดีที่ต้องลองสร้างใหม่ด้วยตัวเอง
การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมดังกล่าวต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงที่สร้างโฟตอนที่ควบคุมได้และสม่ำเสมอ และให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เช่น เลเซอร์ที่ปล่อยพัลส์เล็กๆ หรือถ้าคุณมีเงินสด ให้ใช้โฟตอนตัวเดียว คุณสามารถเก็บข้อมูลควอนตัมตามสถานะโพลาไรซ์ของโฟตอน หรือเพียงแค่ถามว่าโฟตอนเดินทางผ่านใยแก้วนำแสงสองเส้นใด คุณจะต้องใช้ส่วนประกอบออปติคัลที่สามารถทำให้โฟตอนถูกซ้อนทับและใช้เกตได้ เช่น ตัวแยกลำแสงที่แยกโฟตอนออกเป็นสองเส้นทาง และอุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนเฟสของโฟตอนขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางของพวกมัน สุดท้าย คุณต้องมีกล้องหรือตัวตรวจจับเพื่อระบุสถานะสุดท้ายของโฟตอน คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้โฟตอนชนิดนี้มีชื่ออยู่แล้ว: โปรโตคอล KLM ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ Emanuel Knill, Raymond Laflammeและตีพิมพ์ในปี 2001 เป็นหนึ่งในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบออปติคัลที่แตกต่างกันหลายแบบที่กำลังอยู่ระหว่างการพัฒนา
วิธีที่คุณดำเนินการสร้างอุปกรณ์นี้จริง ๆ เป็นเรื่องของการควบคุมที่คุณหวังว่าจะมีมากกว่า qubits คุณสามารถซื้อโต๊ะออปติคัล ส่วนประกอบออปติคัลล้ำสมัย เช่น อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Mach-Zender ที่สร้างไว้ล่วงหน้า ตัวปล่อยโฟตอนเดี่ยว และเครื่องตรวจจับที่มีความละเอียดอ่อน หรือคุณสามารถทำ DIY ได้ค่อนข้างมาก – Noah Wood ผู้ก่อตั้งSpooky Manufacturingซึ่งเป็นสตาร์ทอัพคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่นำเสนอโซลูชันสำหรับนักควอนตัมอดิเรก ให้รายละเอียดว่าเขาสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมประเภท KLM ราคาถูกโดยใช้พัลซิ่งเลเซอร์ไดโอด ตัวแยกลำแสงที่แยกโฟตอนตาม โพลาไรซ์และ photoresistors ที่นี่
การวางโฟตอนลงในการวางซ้อนไม่ใช่เรื่องยาก — ความท้าทายที่แท้จริงคือการสร้างสิ่งกีดขวาง เนื่องจากโฟตอนไม่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน Alex Moylett ผู้พัฒนาซอฟต์แวร์วิจัยของRiverlaneบริษัทควอนตัมซอฟต์แวร์กล่าว คอมพิวเตอร์สร้างสิ่งกีดขวางโดยกำหนดเส้นทางโฟตอนผ่านชุดของใยแก้วนำแสงและใช้การเลื่อนเฟส หลังจากนั้นผู้สังเกตจะต้องใช้แผนหลังการเลือกด้วย โดยพื้นฐานแล้ว ผู้สังเกตจะโยนผลการคำนวณใดๆ ที่ไม่ได้แสดงว่าสิ่งกีดขวางเกิดขึ้น รูปแบบการปรับตัวอื่น ๆ จะวัดโฟตอนบางส่วนก่อนหน้านี้ในการคำนวณ ใช้เกตอีกครั้งจนกว่าการพัวพันจะสำเร็จ
แต่ถ้าคุณหวังในสิ่งที่คุ้นเคยน้อยกว่าส่วนประกอบทางแสง คุณอาจลองควบคุมและจัดการคุณสมบัติควอนตัมของอนุภาคอื่น: การหมุนของอิเล็กตรอน
สร้าง Qubits ด้วยวิธีแบบเก่า: การใช้ Nuclear Magnetic Resonance
ผู้นำในยุคแรกๆ ในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีพื้นฐานมาจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์ (NMR) ซึ่งเป็นแนวคิดเดียวกันที่อยู่เบื้องหลังเครื่อง MRI อุปกรณ์ NMR ไม่สามารถทำได้เหมือนกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมไอออนที่มีตัวนำยิ่งยวดและติดอยู่ในปัจจุบัน แต่นักวิทยาศาสตร์ยังคงใช้เทคนิคที่นำมาจากการคำนวณควอนตัม NMR ในอุปกรณ์สมัยใหม่

สล็อตออนไลน์

คอมพิวเตอร์ควอนตัม NMR ประกอบด้วยตัวกลางซึ่งมักเป็นของเหลวซึ่งอยู่ในสนามแม่เหล็กที่แรงและคงที่ ซึ่งรบกวนด้วยพัลส์ความถี่วิทยุที่ปรับแต่งมาเป็นพิเศษ คอมพิวเตอร์เข้ารหัสข้อมูลเป็นคุณสมบัติควอนตัมโดยกำเนิดของนิวเคลียสอะตอมที่เรียกว่าสถานะการหมุน ซึ่งคุณสามารถคิดได้ว่าเป็นหน่วยพื้นฐานของสนามแม่เหล็กของสสาร ไอโซโทปของอะตอมบางชนิด เช่น อะตอมของไฮโดรเจนในน้ำและคาร์บอน -13 สามารถทำหน้าที่เป็นควิบิตเดี่ยวที่มีสถานะการหมุนสองสถานะ ซึ่งปกติจะเรียกว่าขึ้นและลง พัลส์ RF สามารถเปลี่ยนสถานะของ qubits เหล่านี้หรือทำให้สถานะของพวกมันพัวพันระหว่างนิวเคลียส
แต่แตกต่างจากสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ควอนตัมอื่น ๆ ที่คุณควบคุมแต่ละ qubits NMR ต้องการให้ผู้ใช้ดำเนินการกับกลุ่มโมเลกุลจำนวนมากในเวลาเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าแทนที่จะได้รับการวัดแบบ single-qubit การคำนวณจะส่งกลับค่าเฉลี่ยของพฤติกรรมของทุกโมเลกุลในตัวกลาง ซึ่งแต่ละอันทำหน้าที่เป็นตัวประมวลผลควอนตัมขนาดเล็ก การวัดทั้งมวลเหล่านี้หมายความว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัม NMR มีเสียงรบกวนและไม่สามารถปรับขนาดได้มากนัก “นั่น และคุณติดอยู่กับคุณสมบัติของโมเลกุลที่ธรรมชาติมอบให้คุณ” Sarah Sheldon สมาชิกของ IBM Quantum Research Staff กล่าว และแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมตัวนำยิ่งยวดที่คุณเริ่มต้นด้วย qubits ทั้งหมดของคุณในสถานะกราวด์ คอมพิวเตอร์ NMR ต้องมีการประมวลผลภายหลังเพิ่มเติมเพื่อจำลอง qubit ในสถานะกราวด์
แต่เราไม่ได้พยายามสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ดี เรากำลังพยายามควบคุมและวัดสถานะควอนตัมในบ้านของเรา
การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม NMR ต้องใช้แม่เหล็กไฟฟ้าที่แรงที่สุดที่คุณสามารถซื้อหรือสร้างเพื่อเพิ่มสัญญาณที่คุณได้รับจากโมเลกุลให้ได้มากที่สุด ภายในแม่เหล็กนั้น คุณสามารถสร้างการตั้งค่าที่ค่อนข้างง่าย — โซลินอยด์อีกตัวที่มีลวดเชื่อมต่อกับวงจร LC ที่คุณใช้เพื่อปรับแต่งอุปกรณ์ให้มีความถี่ที่เหมาะสมและอ่านปฏิกิริยาของนิวเคลียสต่อพัลส์ คุณจะต้องใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณ RF และ FPGA เพื่อปรับแต่งพัลส์
อย่าลังเลที่จะทดลองกับสื่อ แต่มีความเป็นไปได้รวมถึงเอทานอล อะซิโตน กลีเซอรีนคลอโรฟอร์มที่เสริมคาร์บอน-13หรือแม้แต่อะตอมไฮโดรเจนที่ลอยอยู่ในน้ำ (แม้ว่าคุณจะมีเพียงหนึ่ง qubit เท่านั้นในกรณีนี้) . จำนวนเงินที่คุณใช้จ่ายในการสร้างอุปกรณ์ของคุณขึ้นอยู่กับแม่เหล็กและเครื่องใช้ไฟฟ้าที่คุณวางแผนที่จะใช้งาน แต่มีความอุดมสมบูรณ์ของบทเรียนที่จะช่วยให้คุณใส่กันพื้นฐาน คุณสามารถซื้ออุปกรณ์พัลซิ่ง-NMRและแยกชิ้นส่วนได้
สร้าง Qubits โดยการดักจับไอออน
จะเกิดอะไรขึ้นถ้าใครต้องการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ล้ำหน้ากว่านั้น เช่นเดียวกับที่ได้รับกระแสข่าวมากมายจากสื่อและบริษัทต่างๆ ที่กำลังแข่งกันสร้าง เป็นไปได้ไหม?
สถาปัตยกรรมควอนตัมที่ล้ำหน้าที่สุดสองแห่งในปัจจุบันน่าจะเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมไอออนที่มีตัวนำยิ่งยวดและติดอยู่ qubits ตัวนำยิ่งยวดอยู่นอกเหนือขอบเขตของงานอดิเรก เนื่องจากต้องใช้ส่วนประกอบที่ประดิษฐ์ขึ้นเป็นพิเศษจำนวนมากและตู้เย็นแบบเจือจาง แต่ยานน์ อัลเลน แฮ็กเกอร์ผู้กล้าได้กล้าเสียอย่างน้อยหนึ่งราย กำลังพยายามรวบรวมคอมพิวเตอร์ควอนตัมไอออนที่ติดอยู่ในราคา “ ส่วนลด 99% ”
ไอออนเป็นระบบควอนตัมที่ค่อนข้างตรงไปตรงมา — สถานะอิเล็กทรอนิกส์ เช่น อะตอมในสถานะพื้นดินหรือสถานะตื่นเต้น สามารถทำหน้าที่เป็นสถานะควิบิตได้ ระบบของอิเล็กโทรด AC และ DC ที่ผลิตสนามความถี่วิทยุที่เรียกว่ากับดักพอลสามารถกักขังไอออนได้ เลเซอร์มีหน้าที่ในการทำให้ไอออนเย็นลง ทำให้เกิดไอออนของอนุภาคต้นทาง และอ่านสถานะของไอออน และแหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟ (หรือเลเซอร์อื่นๆ) จะส่งพัลส์ซึ่งเริ่มต้นและส่งประตูไปยังไอออนเพื่อควบคุม สิ่งทั้งหมดต้องเข้าไปในห้องสุญญากาศเพื่อลดเสียงรบกวน ที่ต้องใช้ปั๊มสุญญากาศเช่นกัน
[NPC4]ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของคุณน่าจะเป็นการบรรลุสุญญากาศที่แรงพอ สร้างการตั้งค่าไมโครเวฟหรือการควบคุมด้วยเลเซอร์ และในการสร้างกับดัก Paul ของคุณสำหรับการดักจับไอออน — อาจเริ่มต้นด้วยการดักจับอนุภาคฝุ่นแล้วไปจากที่นั่น Alllain สร้างกับดัก Paul โดยใช้การออกแบบของ Kickad และเครื่อง CNC (การควบคุมเชิงตัวเลขด้วยคอมพิวเตอร์) สำหรับการผลิตแบบลบเพื่อสลักกับดัก 2D ของเขาลงในชิปเซรามิก เขากล่าวในการพูดคุยของเขาว่าเขามีปัญหาในการสร้างระบบควบคุมด้วยเลเซอร์ (เขาพยายามสร้างระบบเลเซอร์ตั้งแต่เริ่มต้นในราคาประมาณ 2,000 ยูโร แทนที่จะซื้อระบบที่สร้างไว้ล่วงหน้าด้วยราคา 25,000 ยูโร) ในขณะที่ระดมสมองคอมพิวเตอร์ควอนตัมดักไอออนของเราโดยใช้ชิ้นส่วนเชิงพาณิชย์เท่านั้น Sara Mouradian แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียคาดว่าเราอาจสร้างอุปกรณ์ง่ายๆ ที่ดักจับและสามารถทำประตูสองสามบาน (ที่มีความเที่ยงตรงไม่สดใส) ได้ในราคาไม่ถึงแสนดอลลาร์
หากคุณกำลังหวังที่จะสร้างสิ่งที่น่าประทับใจยิ่งขึ้นไปอีก ก็เป็นข้อแก้ตัวที่ดีที่จะกลับไปเรียนปริญญาโทและรับปริญญาฟิสิกส์ บางทีคุณอาจทำงานบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ IBM ได้ด้วยซ้ำ!
ฉันจะควบคุมสิ่งนี้ได้อย่างไร
อุปกรณ์ที่ถูกแฮ็กร่วมกันใหม่ของคุณซึ่งนั่งอยู่บนโต๊ะทำงานของคุณอาจไม่รู้สึกเหมือนเป็นคอมพิวเตอร์หากคุณตั้งโปรแกรมโดยหมุนลูกบิดและกดปุ่มบนแผงควบคุมของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมของคุณ แต่นั่นเป็นสาเหตุที่บริษัทต่างๆ กำลังพัฒนาซอฟต์แวร์ที่คุณสามารถใช้เพื่อควบคุมอุปกรณ์ควอนตัมของคุณได้ และแม้ว่าฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ควอนตัมของไอบีเอ็มจะประกอบด้วยคิวบิตที่มีตัวนำยิ่งยวด แต่ Qiskit มีจุดมุ่งหมายเพื่อเป็นฮาร์ดแวร์ที่ไม่เชื่อเรื่องพระเจ้า
“ไม่ว่าคุณจะพูดถึง qubit อะไรก็ตาม หากคุณใช้การคำนวณแบบ gate-based และ Qiskit เข้าใจเกท ก็น่าจะใช้ได้” Paul Nation หัวหน้าฝ่ายจัดส่งซอฟต์แวร์ Quantum ของ IBM กล่าว แต่มันจะเป็นงานมากในตอนท้ายของคุณ สำหรับอุปกรณ์ของ IBM มีขั้นตอนแบ็คเอนด์หลายขั้นตอนที่แปลงรหัส Qiskit เป็นรูปคลื่นที่สร้างพัลส์สำหรับ qubit ตัวนำยิ่งยวด สำหรับเครื่องของคุณเอง คุณจะต้องกำหนดให้แน่ชัดว่าการใช้เกทควอนตัมธรรมดาหมายความว่าอย่างไร เช่น X-gate ที่พลิกระหว่างสถานะ qubit สองสถานะหรือประตู Hadamard ที่ทำให้ qubit กลายเป็น superposition ที่เท่ากันของทั้งสองสถานะ และสร้างอินเทอร์เฟซเพื่อให้ Qiskit และอุปกรณ์ของคุณสามารถพูดคุยกันได้ คุณสามารถใช้Qiskit Pulseคุณลักษณะในการปรับเทียบและคำนวณเวลาที่เชื่อมโยงกันของ qubits ของคุณ รวมทั้งส่งพัลส์แบบกำหนดเองที่คุณควบคุมรูปร่างพัลส์ ความถี่ และระยะเวลา คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ควอนตัมและ Qiskit เช่นเดียวกับภาษา OpenPulse ที่นี่
[NPC5]คอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องใช้เวลา ความพยายาม และกำลังคนอย่างมากในการสร้าง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมบริษัทและสถาบันวิจัยจึงมีทีมงานเฉพาะที่พยายามสร้างและทำความเข้าใจอุปกรณ์เหล่านี้ แต่พวกเขาไม่ได้อยู่นอกขอบเขตของการซ่อมแซม DIY จริงๆคุณสามารถสร้างระบบควอนตัมใช้ชิ้นส่วนที่ใช้ในเชิงพาณิชย์และคุณยังสามารถควบคุมและโปรแกรมอุปกรณ์ของคุณโดยใช้ซอฟต์แวร์โอเพนซอร์สเช่น Qiskit ดังนั้นทำไมไม่ลอง?