Perlumbaan sedang berlangsung. Syarikat-syarikat terkemuka di dunia berusaha untuk membuat komputer kuantum pertama, berdasarkan teknologi yang telah lama berjanji kepada para saintis untuk membantu mengembangkan bahan baru yang luar biasa, penyulitan data yang sempurna, dan meramalkan perubahan iklim Bumi dengan tepat. Mesin sedemikian mungkin akan muncul tidak lebih awal dari sepuluh tahun dari sekarang, tetapi ini tidak menghentikan IBM, Microsoft, Google, Intel dan lain-lain. Mereka secara harfiah memasukkan bit kuantum - atau qubit - ke cip pemproses, secara harfiah. Tetapi jalan menuju pengkomputeran kuantum melibatkan lebih banyak daripada memanipulasi zarah subatom.
Qubit dapat mewakili 0 dan 1 pada masa yang sama, berkat fenomena kuantum superposisi yang unik. Ini membolehkan qubit melakukan sejumlah besar pengiraan pada masa yang sama, meningkatkan kelajuan dan kapasiti pengiraan. Tetapi ada pelbagai jenis qubit, dan tidak semuanya dibuat sama. Dalam cip kuantum silikon yang dapat diprogram, misalnya, nilai bit (1 atau 0) ditentukan oleh arah putaran elektronnya. Walau bagaimanapun, qubit sangat rapuh, dan ada yang memerlukan suhu setinggi 20 milikelvins - 250 kali lebih sejuk daripada di ruang dalam - untuk tetap stabil.
Sudah tentu, komputer kuantum bukan hanya pemproses. Sistem generasi seterusnya ini akan memerlukan algoritma baru, perisian baru, sambungan, dan sekumpulan teknologi yang belum diciptakan yang mendapat manfaat daripada kekuatan pengkomputeran kolosal. Di samping itu, hasil pengiraan perlu disimpan di suatu tempat.
"Sekiranya tidak begitu sukar, kita sudah melakukannya," kata Jim Clark, pengarah perkakasan kuantum di Intel Labs. Pada CES tahun ini, Intel melancarkan pemproses 49-qubit, dengan nama kod Tangle Lake. Beberapa tahun yang lalu, syarikat itu mencipta persekitaran maya untuk menguji perisian kuantum; ia menggunakan komputer super Stampede (di University of Texas) yang kuat untuk mensimulasikan pemproses 42-qubit. Namun, untuk benar-benar memahami bagaimana menulis perisian untuk komputer kuantum memerlukan simulasi beratus-ratus atau bahkan ribuan qubit, kata Clarke.
Scientific American menemubual Clarke mengenai pendekatan yang berbeza untuk membina komputer kuantum, mengapa mereka sangat rapuh, dan mengapa semuanya memerlukan begitu lama. Ia akan menarik bagi anda.
Bagaimana pengkomputeran kuantum berbeza dengan pengkomputeran tradisional?
Video promosi:
Metafora umum yang digunakan untuk membandingkan dua jenis pengiraan adalah duit syiling. Dalam pemproses komputer tradisional, transistor adalah kepala atau ekor. Tetapi jika anda bertanya di mana sisi mata wang itu menghadap ketika berputar, anda akan mengatakan bahawa jawapannya boleh menjadi keduanya. Inilah cara kerja pengkomputeran kuantum. Daripada bit biasa yang mewakili 0 atau 1, anda mempunyai bit kuantum yang mewakili 0 dan 1 pada masa yang sama sehingga qubit berhenti berputar dan memasuki keadaan rehat.
Nyatakan ruang - atau kemampuan untuk melakukan iterasi atas sebilangan besar kemungkinan kombinasi - adalah eksponensial dalam hal komputer kuantum. Bayangkan bahawa saya mempunyai dua syiling di tangan saya dan melemparkannya ke udara pada masa yang sama. Semasa mereka berputar, mereka mewakili empat keadaan yang mungkin. Sekiranya saya melemparkan tiga syiling ke udara, ia mewakili lapan keadaan yang mungkin. Sekiranya saya melemparkan lima puluh syiling di udara dan bertanya kepada anda berapa banyak negeri yang diwakilinya, jawapannya adalah nombor yang tidak dapat dikira oleh komputer super terkuat di dunia. Tiga ratus duit syiling - masih jumlah yang agak kecil - akan mewakili lebih banyak keadaan daripada atom di alam semesta.
Mengapa qubit sangat rapuh?
Kenyataannya adalah bahawa duit syiling, atau qubit, akhirnya berhenti berputar dan runtuh ke keadaan tertentu, baik itu kepala atau ekor. Matlamat pengkomputeran kuantum adalah untuk menjadikannya berputar dalam kedudukan super dalam sekumpulan keadaan untuk jangka masa panjang. Bayangkan duit syiling berputar di atas meja saya dan seseorang menolak meja. Duit syiling mungkin jatuh lebih cepat. Kebisingan, perubahan suhu, turun naik elektrik, atau getaran semuanya boleh mengganggu operasi qubit dan menyebabkan kehilangan datanya. Salah satu cara untuk menstabilkan jenis qubit tertentu adalah dengan memastikan ia tetap sejuk. Qubit kami beroperasi di dalam peti sejuk bersaiz 55 galon tong dan menggunakan isotop helium khas untuk menyejukkannya hingga mendekati sifar mutlak.
Bagaimana pelbagai jenis qubit berbeza antara satu sama lain?
Tidak kurang dari enam atau tujuh jenis qubit yang berbeza, dan kira-kira tiga atau empat daripadanya secara aktif dipertimbangkan untuk digunakan dalam komputer kuantum. Perbezaannya adalah bagaimana memanipulasi qubit dan membuatnya berkomunikasi antara satu sama lain. Anda memerlukan dua qubit untuk berkomunikasi antara satu sama lain untuk melakukan pengiraan "terjerat" yang besar, dan pelbagai jenis qubit terjerat dengan cara yang berbeza. Jenis yang telah saya jelaskan yang memerlukan penyejukan yang luar biasa disebut sistem superkonduktor, yang merangkumi pemproses Tangle Lake kami dan komputer kuantum yang dibina oleh Google, IBM dan lain-lain. Pendekatan lain menggunakan cas berayun ion terperangkap - ditempatkan di ruang vakum oleh sinar laser - yang bertindak sebagai qubit. Intel tidak mengembangkan sistem ion terperangkap kerana memerlukan pengetahuan mendalam mengenai laser dan optik,kita tidak boleh melakukannya.
Walau bagaimanapun, kami mengkaji jenis ketiga, yang kami namakan silikon spin qubit. Mereka kelihatan seperti transistor silikon tradisional, tetapi beroperasi pada satu elektron. Spin qubits menggunakan denyutan gelombang mikro untuk mengawal putaran elektron dan melepaskan daya kuantumnya. Teknologi ini kurang matang hari ini daripada teknologi qubit superkonduktor, tetapi boleh dikatakan lebih cenderung untuk membuat skala dan berjaya secara komersial.
Bagaimana untuk sampai ke tahap ini dari sini?
Langkah pertama adalah membuat kerepek kuantum ini. Pada masa yang sama, kami telah melakukan simulasi pada komputer super. Untuk menjalankan simulator kuantum Intel, diperlukan sekitar lima trilion transistor untuk mensimulasikan 42 qubit. Diperlukan sekitar sejuta qubit atau lebih untuk mencapai jangkauan komersial, tetapi bermula dengan simulator seperti ini dapat membina seni bina asas, penyusun, dan algoritma. Sehingga kita mempunyai sistem fizikal yang merangkumi dari beberapa ratus hingga seribu qubit, tidak jelas jenis perisian apa yang dapat kita jalankan di dalamnya. Terdapat dua cara untuk meningkatkan ukuran sistem seperti itu: satu adalah dengan menambahkan lebih banyak qubit, yang memerlukan lebih banyak ruang fizikal. Masalahnya adalah bahawa jika tujuan kita adalah untuk membina komputer dengan sejuta qubit, matematik tidak akan membenarkan mereka membuat skala dengan baik. Cara lain adalah dengan memampatkan dimensi dalaman litar bersepadu, tetapi pendekatan ini memerlukan sistem superkonduktor, yang mesti besar. Spin qubits sejuta kali lebih kecil, jadi kami mencari penyelesaian lain.
Di samping itu, kami ingin meningkatkan kualiti qubit, yang akan membantu kami menguji algoritma dan membina sistem kami. Kualiti merujuk kepada ketepatan maklumat yang disampaikan sepanjang masa. Walaupun banyak bahagian sistem seperti itu akan meningkatkan kualiti, keuntungan terbesar akan datang dari pengembangan bahan baru dan meningkatkan ketepatan denyutan gelombang mikro dan elektronik kawalan lain.
Baru-baru ini, Jawatankuasa Kecil AS untuk Perdagangan Digital dan Perlindungan Pengguna mengadakan perbicaraan mengenai pengkomputeran kuantum. Apa yang ingin diketahui oleh perundangan mengenai teknologi ini?
Terdapat beberapa pendengaran yang berkaitan dengan jawatankuasa yang berbeza. Sekiranya kita menggunakan pengkomputeran kuantum, kita boleh mengatakan bahawa ini adalah teknologi pengkomputeran untuk 100 tahun akan datang. Adalah wajar bagi AS dan pemerintah lain untuk berminat dengan peluang mereka. Kesatuan Eropah mempunyai rancangan berbilion-bilion dolar untuk membiayai penyelidikan kuantum di seluruh Eropah. China pada musim gugur lalu mengumumkan pangkalan penyelidikan bernilai $ 10 bilion yang akan menumpukan pada maklumat kuantum. Persoalannya, apa yang dapat kita lakukan sebagai negara di peringkat nasional? Strategi kebangsaan untuk pengkomputeran kuantum harus dijalankan oleh universiti, pemerintah, dan industri, yang bekerjasama dalam aspek teknologi yang berbeza. Piawaian semestinya diperlukan dari segi komunikasi atau seni bina perisian. Buruh juga menjadi masalah. Sekarang, jika saya membuka kekosongan untuk pakar pengkomputeran kuantum, dua pertiga pemohon kemungkinan berada di luar AS.
Apa kesan pengkomputeran kuantum terhadap pengembangan kecerdasan buatan?
Biasanya, algoritma kuantum yang dicadangkan pertama akan memberi tumpuan kepada keselamatan (mis. Kriptografi) atau pemodelan kimia dan bahan. Ini adalah masalah yang pada dasarnya tidak dapat diselesaikan untuk komputer tradisional. Walau bagaimanapun, terdapat banyak permulaan dan kumpulan saintis yang mengusahakan pembelajaran mesin dan AI dengan pengenalan komputer kuantum, bahkan teori. Memandangkan jangka masa yang diperlukan untuk pengembangan AI, saya mengharapkan cip tradisional dioptimumkan khusus untuk algoritma AI, yang seterusnya akan memberi kesan pada pengembangan cip kuantum. Walau apa pun, AI pasti mendapat dorongan dari pengkomputeran kuantum.
Bilakah kita akan melihat komputer kuantum berfungsi menyelesaikan masalah di dunia nyata?
Transistor pertama dibuat pada tahun 1947. Litar bersepadu pertama adalah pada tahun 1958. Mikroprosesor pertama Intel - yang mengandungi kira-kira 2,500 transistor - tidak keluar sehingga tahun 1971. Setiap tonggak ini telah dipisahkan lebih dari satu dekad. Orang berpendapat bahawa komputer kuantum berada di sudut jalan, tetapi sejarah menunjukkan bahawa kemajuan memerlukan masa. Sekiranya dalam 10 tahun kita mempunyai komputer kuantum dengan beberapa ribu qubit, ia pasti akan mengubah dunia seperti yang dilakukan mikropemproses pertama.
Ilya Khel
