양자 컴퓨팅의 란과 치명적인 결함

양자 컴퓨팅의 란과 치명적인 결함

성능과 관련하여 엔지니어링은 물리학보다 중요합니다.

지난 달 구글은 양자 컴퓨터의 우월성 을 달성했다고 주장했다. 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터로는 불가능했던 것을 제공 할 수 있다는 것을 증명하는 단계에서 과장된 이름이다. 그 주장은 여전히 논란의 여지 가 있으므로 더 나은 데모가 필요하다는 것이 밝혀졌습니다.

주장과는 별도로, 구글과 IBM의 비평가들은 양자 컴퓨팅 노력의 기초와 동일한 유형의 하드웨어를 선택했다는 것이 주목할 만하다. Rigetti라는 작은 경쟁 업체도 있습니다. 양자 컴퓨팅 환경은 지난 10 년간 안정된 모습을 보여 주었다. 우리는 이제 가능성있는 승자와 일부 확실한 패자를 선택할 수있는 위치에 있습니다.

당신은 왜 패자입니까?
그런데 왜 승자가 이기고 패자가 졌습니까?

결국 이야기는 공학에 관한 것입니다. 실제 양자 컴퓨터는 많은 양자 비트 (qubit)를 만들 수 있어야합니다. 이러한 큐비 트는 다중 게이트 작동을 위해 양자 상태를 유지해야합니다. 게이트 운영을 위해서는 개별적으로나 그룹 (또는 적어도 쌍)으로 큐 비트를 조작 할 수 있어야합니다. 그리고 물론 계산 결과를 읽을 수 있어야합니다.

이러한 개별적인 특징 중 다수는 액체, Rydberg 원자 , Bose Einstein condensates (BEC), 고체 상태 시스템 , 다이아몬드의 질소 공석 , 실리콘 결함 , 갇힌 이온 , 빛 및 물론 큐빗을 사용하여 작동하는 것으로 입증되었습니다. , 반지 초전도 . 그 목록은 불완전 하지만, 그 옵션의 대부분은 물에서 거의 죽었고, 아주 좋은 이유입니다. 큐 비트 동작은 개별 큐 비트 수준의 물리학에 의해 결정되지만, 일단 스케일링에 대해 생각하면 엔지니어링이 중요하며 이러한 옵션 중 많은 것이 스케일링에 적합하지 않습니다.

무작위성이 나쁘다
10 년 초, 질소 공극 센터, 실리콘 공석 (많은 시간이 더 소요) 및 고체 물질이 선두 주자 중 하나였습니다. 이러한 물질은 모두 유사한 원리로 작동합니다. 소량의 오염 물질이 결정에 도입됩니다. 질소는 다이아몬드에, 실리콘에는 인, 이트륨-알루미늄-가넷 결정에는 이테르븀이 들어갑니다.

각 재료의 큐빗은 유사한 물리학에 의해 형성됩니다. 오염 물질은 인접한 원자의 결합 요구 사항과 일치하지 않아 격리 된 전자 또는 양으로 하전 된 핵 (이온)이 남습니다. 이러한 분리 된 객체의 상태는 큐 비트로 사용될 수 있으며 상태는 매우 성공적인 경우보다 훨씬 오래 지속될 수 있습니다.

그러나 이러한 기술에는 근본적인 단점이 있습니다. 이들 중 다수의 좋은 예는 다이아몬드의 질소 공극 센터에서 볼 수 있습니다. 각 큐빗은 질소가 네 번째 탄소 원자와 결합 할 수 없기 때문에 남아있는 단일 전자로 구성됩니다. 이 전자는 광학적으로 처리 (설정 및 판독)됩니다. 따라서 첫 번째 문제는 개별적으로 해결 될 수있는 몇 개의 고립 된 공석을 결정을 통해 검색하는 것입니다. 큐 비트를 광학적으로 처리한다는 것은 빈 공간이 직접 결합하기에는 너무 멀다는 것을 의미하므로 큐 비트 동작과 큐 비트 간의 얽힘은 광학 및 마이크로파 광자를 통해 이루어져야합니다. 불행하게도, 마이크로파 방출은 모든 큐 비트 에 결합하여 큐 비트 스캔이 제어되는 정확도를 떨어 뜨립니다.

더 나쁜 것은 각 공석이 다릅니다. 공석의 양자 특성은 그것을 둘러싸는 원자의 정확한 배열 및 유형에 의해 결정된다. 예를 들어, 다이아몬드에서 탄소의 두 가지 일반적인 동위 원소는 탄소 -13의 존재가 근처 큐빗의 성능을 변화시키기에 충분한 차이를 제공합니다. 큐 비트를 동일하게 만들려면 로컬 자기장이 적용되어 큐 비트 상태의 에너지 레벨이 이동합니다. 근처 전선을 통해 상대적으로 강한 전류를 흐르면서 동시에 다른 큐 비트에 영향을 미치지 않도록 효과를 분리하여 수행해야합니다.

기본적으로 모든 다이아몬드 칩은 다른 속성을 가진 다른 큐 비트 배열로 다른 컴퓨터를 생산합니다. 국부 자기장이 목표 큐 비트에 국부적으로 위치하도록하는 와이어 라우팅은 대단히 어려운 것 같습니다. 그런 다음 모든 큐빗을 외부 세계에 연결하기 위해 작은 렌즈 배열 (다이아몬드 표면에 직접 밀링)을 설계해야합니다.
내 생각에 공학 비명 소리를 이해하는 작고 억압 된 내 뇌 부분.

이러한 문제는 거의 모든 공석 기반 큐 비트 시스템에 적용되므로 이에 대한 정보가 점점 줄어들고 있습니다.

기억에 남는 고형물
이트륨-알루미늄-가넷의 이테르븀과 같은 결정질 이온의 경우는 약간 다릅니다. 여기서, 양자 상태는 일반적으로 단일 이테르븀 이온에 저장되지 않는다. 대신, 상태는 이온 집단에 퍼져서 믿을 수 없을 정도로 강력합니다. 이들은 가장 오래 살았던 양자 상태입니다. 그러나 큐 비트의 위치를 ​​정의하는 것도 약간 어렵습니다. 실제로, 위치는 양자 상태를 설정하고 판독하는데 사용되는 광을 포커싱하는 광학에 의해 정의된다.

본질적으로, 큐 비트 상태는 결정의 부피 내에서 많은 이온과 상호 작용하는 광 펄스에 의해 설정된다. 이러한 큐 비트 중 몇 개 이상을 생성하려면 다소 복잡한 광학 설정이 필요합니다. 그리고 이러한 수준의 정교함은 큐빗을 얽고 게이트 연산을 생성 할 수있는 요구 사항도 고려하지 않습니다. 엔지니어링은 풀 퀀텀 컴퓨터에는 바람직하지 않습니다. 다른 한편으로,이 결정은 굉장한 양자 기억을 만들어 내고 그 제한된 역할에서 여전히 응용을 찾을 수 있습니다.

중립은 무관심
실용에서 멀어 질수록 더 많은 외부 기회가 생깁니다. 이들의 예로는 Rydberg 원자 및 Bose-Einstein Condensates (BEC)가 있습니다.

Rydberg 원자는 원자의 가장 바깥 쪽 전자를 높은 에너지 상태로 여기시켜 생성됩니다. 이 상태에서 전자는 별 주위의 행성처럼 훨씬 더 궤도를 돌고 있습니다. 다른 Rydberg 상태 간 전환을 관리하여 큐 비트를 만들 수 있습니다. 광 펄스 및 광 방출에 의해 상태를 설정하고 읽을 수 있습니다. 차가운 Rydberg 원자는 광학적으로 포획되어 위치에 고정시켜 광학 시스템으로 해결할 수 있습니다.

불행히도, 그 특성상 그것들이 서로 직접 상호 작용하는 것을 막기 때문에, 광자 교환에 의해 큐 비트 동작이 수행되어야한다. 이것은 결정 이온의 경우와 같이 광학 시스템과 계산 절차가보다 성공적인 시스템보다 훨씬 어렵게 만듭니다. 그러나 이러한 큐 비트를 만드는 데 어려움이 있습니다. 동일한 시작 상태에서 많은 수의 Rydberg 원자를 얻는 것이 결코 쉬운 것은 아닙니다.

BEC는 매우 높은 정밀도로 조작 및 유지 될 수있는 훌륭한 양자 상태를 제공합니다. 그리고 상대적으로 작성하기 쉽습니다. 그러나 Rydberg 원자와 마찬가지로이 양자 상태는 이웃 BEC의 양자 상태에 직접 영향을 미치지 않으므로 게이트 배열이 훨씬 어려워집니다.

매우 확실한 우승 품질
이제 이온 트랩 양자 컴퓨터 및 초전도 큐 비트 컴퓨터와 비교해보십시오. 이온 트랩의 경우, 양자 상태는 개별 트랩 된 이온에 저장되고 판독됩니다. 큐빗은 함정에서의 움직임과 빛과 마이크로파의 방출 및 흡수를 통해 서로 직접 상호 작용할 수 있습니다. 이 광 주소 시스템은 여전히 ​​복잡하지만 일부 작업을 처리하기 위해 마이크로파와 트랩 모션을 사용하여 훨씬 단순화되었습니다. 이것은 엔지니어링을 실현시키기에 충분합니다.

초전도 큐 비트가 제조됩니다. 그들은 아마도 어떤 qubit 경쟁자의 최악의 양자 속성을 가지고있을 것입니다. 그러나 그것들이 제조되었다는 사실은 우리에게 많은 통제권을줍니다. 게이트 작동, 큐 비트 상태 설정 및 읽기 및 저장 작동은 모두 컴퓨터를 최대한 오래 작동하도록 설계 할 수 있습니다. 엔지니어가 큐 비트 수를 늘리기 시작한다는 확신을 갖게 된 것은 바로 이러한 제어 감각입니다.

광자 큐비 트는 성공한 것으로 보이는 세 가지의 괴짜입니다. 광자 큐비 트는 정지하지 않으므로 게이트 동작은 공간과 시간에서 둘 이상의 큐 비트가 겹치므로 우수한 타이밍이 필요합니다. 이 요구 사항으로 인해 광 회로 설계가 어려워집니다. 그러나 원하는 컴퓨터 프로그램이 주어지면 광 회로를 설계 할 수 있습니다.

문제는 광자 회로를 프로그래밍 할 수있게 만드는 것입니다. 엔지니어가 비명을 지르는 것은 어렵지만 어려운 일은 아닙니다. 따라서 이런 의미에서 광자 큐비 트는 여전히 믹스에 남아있을 가능성이 높습니다.

비용은 왕이다
우리는 그것들을 모두 지배하기 위해 하나의 기술로 끝날 것입니까? 대부분의 경우 단일 기술이 지배적이라고 생각합니다. 그리고 초전도 큐빗이 현재의 휴식처를 지배하지만 광자 양자 컴퓨터가 이길 것이라고 생각합니다. 본질적으로 비용이 많이 듭니다. 초전도 큐 비트 보드는 이온 트랩 컴퓨터 나 광 회로보다 생산 비용이 훨씬 저렴합니다. 그러나 광 회로는 집적 회로와 비슷하며 비용이 줄어 듭니다. 따라서 볼륨면에서 가격 차이는 작습니다.

그런 다음 운영 비용이 발생합니다. 이온 트랩 컴퓨터에는 고가의 펌핑 시스템을 갖춘 진공 시스템이 필요하지만 초전도 큐비 트는 액체 헬륨 온도 이하에서 작동합니다. 헬륨은 비쌀뿐만 아니라 희석 냉장고도 저렴하지 않습니다. 광자 회로는 그러한 비용이 없습니다.

그렇습니다. 광전자 회로를 다른 회로와 동등하게 만드는 데는 설계상의 어려움이 있지만 일단 극복하면 비용이 광자에 우선합니다. 미래 학자처럼 들릴 위험이있다 (생각해 구토하는 동안 실례한다), 처음 2 ~ 3 세대는 초전도 큐 비트와 이온 컴퓨터의 혼합 일 것이며, 광자 양자 컴퓨터는 그들의 보폭에 부딪 칠 것이다. 4 세대까지는 더 이상 트랜스 몬 큐 비트가 무엇인지 알 수 없습니다.

그래서 당신은 그것을 가지고 있습니다 : 나는 멋진 광 기반 양자 컴퓨터에 액세스 할 수있게 해주는 웨이퍼 스테퍼에 감사드립니다.