👨🏼‍💻 👷 👎🏽 Peserta baru dalam komputasi kuantum dengan teknologi unik 👈🏽 🧗🏻 🈶

Honeywell akan menempatkan komputer kuantum pada ion yang ditangkap di cloud kuantum Microsoft

Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah mengembangkan berbagai sistem di mana algoritma kuantum dapat dieksekusi. Kebanyakan dari mereka memiliki satu atau dua keunggulan - kemudahan penanganan atau kemampuan untuk menahan kondisi mereka lebih lama daripada yang lain - namun, tidak ada kualitas positif lainnya, yang mencegah mereka menjadi solusi praktis untuk perhitungan. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, beberapa perusahaan telah menemukan cara memanipulasi sejumlah besar qubit solid-state - yang disebut transmons . Karena teknologi untuk memproduksi transmon mirip dengan produksi chip konvensional, banyak pemain di pasar negara berkembang - termasuk Google, IBM, dan Rigetti - telah memilih transmon.

Namun, transmon tidak sempurna. Mereka membutuhkan suhu yang sangat rendah, variabilitas rendah dari perangkat ke perangkat, dan mereka mempertahankan kondisinya dengan baik, tetapi tidak sempurna. Banyak ahli di bidang ini percaya bahwa teknologi lain masih memiliki peluang untuk melampaui transmon.

Dan sekarang, perusahaan yang baru mengenal pasar komputasi kuantum juga bertaruh untuk hal ini. Honeywell, perusahaan yang lebih dikenal sebagai pemasok Departemen Pertahanan, mengumumkan pembuatan komputer kuantum berdasarkan teknologi alternatif "perangkap ion", dan tahun ini akan memberikan akses ke komputernya melalui layanan cloud Microsoft Azure. Perusahaan juga mengklaim bahwa, menurut beberapa perkiraan, ini adalah komputer kuantum paling kuat yang dibuat hingga saat ini, bagaimanapun, pernyataan ini harus diambil dengan sangat hati-hati.

Terperangkap

Qubit-transmon beroperasi selama sirkulasi saat ini dalam satu loop kawat superkonduktor yang terhubung ke resonator, yang memungkinkan pemantauan dan pembacaan kondisi saat ini. Namun, karena kawat superkonduktor dan resonator harus diproduksi dalam produksi, ini dapat menyebabkan munculnya perbedaan kecil antara qubit individu. Selain itu, semua besi ini harus disimpan pada suhu yang sangat rendah, hanya sedikit di atas nol mutlak, untuk menjaga benda-benda yang relatif besar ini dalam keadaan kuantum utama mereka.

Ion yang tertangkap memberikan peluang untuk mengatasi beberapa masalah ini. Qubit itu sendiri terbentuk dari sejumlah kecil atom - dalam kasus Honeywell, dari dua atom. Presiden Honeywell dari solusi kuantum, Tony Attley, menekankan bahwa fakta ini menghilangkan masalah produksi, karena setiap perangkat memiliki sifat yang sama dengan atom yang digunakan (dalam hal ini, ytterbium). "Setiap qubit dimulai dengan cita-cita," kata Attley kepada kami. "Kesalahan yang terjadi berasal dari infrastruktur di sekitarnya."

Berkat pengalaman Honeywell dalam pembuatan dan integrasi infrastruktur ini, para insinyur perusahaan ditempatkan secara ideal untuk meminimalkan kebisingan ini. Selain itu, gugusan atom kecil seperti itu dapat didinginkan menggunakan laser. Meskipun suhu sekitar harus dijaga sangat rendah, itu tidak harus mencapai suhu ekstrem yang diperlukan untuk transmon.

Dalam kasus Honeywell, atom ytterbium tidak begitu mudah didinginkan dengan laser, sehingga perusahaan menambahkan beberapa atom barium ke sistem dan mendinginkannya dengan laser. Sekelompok empat ion mudah didinginkan dan dikendalikan, dan cukup untuk menjaga lingkungan pada suhu 12 K. Meskipun helium cair diperlukan untuk ini, tidak memerlukan peralatan pendingin pencairan canggih yang diperlukan untuk besi dari Google dan IBM.

Karena ion diisi, mereka dapat dipindahkan di dalam perangkat hanya dengan mengubah medan listrik lokal menggunakan 200 elektroda yang dibangun ke dalam perangkat. Keadaan elektron dalam ion dapat dikontrol menggunakan laser dengan panjang gelombang tertentu, yang mampu menempatkan elektron dalam superposisi dengan keadaan energi potensial. Keterikatan dan berbagai operasi logis dapat dilakukan hanya dengan memindahkan dua ion lebih dekat satu sama lain, dan menggunakan laser yang bekerja dengan keduanya secara bersamaan. Membaca dilakukan dengan stimulasi ion oleh laser lain, memaksa ion untuk memancarkan foton, dari mana dimungkinkan untuk menilai keadaan mereka.

Perangkat Honeywell

Perangkat dari Honeywell dapat dianggap sebagai garis perangkat individual. Ion berasal dari satu ujung, yang kemudian bergerak di sepanjang bagian berturut-turut, di mana mereka dapat ditunda untuk penyimpanan atau disinari dengan laser yang memanipulasi qubit. Operasi logis (setara kuantum dari AND dan NOT) dapat dilakukan hanya dengan menempatkan dua ion berdampingan dan melakukan operasi pada mereka secara bersamaan. Selain itu, kelompok empat ion (dua ytterbium, dua barium) dapat dibagi menjadi dua bagian, atau dua kelompok dua ion dapat digabungkan.

Perangkat yang dibicarakan Honeywell hari ini menyelaraskan empat qubit pada baris yang sama dari langkah-langkah penyimpanan dan penanganan ini. Namun, diagram perangkat ini juga menunjukkan dua garis tambahan dari tahap penyimpanan dan penanganan, dari kedua sisi jalur yang digunakan dalam percobaan awal. Ini sesuai dengan apa yang dikatakan Attley: Honeywell percaya bahwa perangkat tersebut dapat diskalakan dengan cepat dan bahwa qubit tambahan dapat ditambahkan setiap tahun tanpa mengubah arsitektur pada tingkat mendasar. Jadi, meskipun empat qubit tidak cukup dibandingkan dengan apa yang diperoleh pada perangkat dengan transmon, perusahaan percaya bahwa itu dapat dengan cepat menjembatani kesenjangan ini.

Banyak laser diperlukan untuk mengontrol status qubit

Salah satu aspek yang menarik dari skema semacam itu, yang, menurut Attley, adalah kurangnya dalam sistem komersial lain yang ada, adalah kemampuan untuk mengukur qubit secara individual, tanpa mengganggu bagian lain dari sistem. (Secara teknis, ini dilakukan menggunakan operasi dengan nama fantastis CNOT - penggemar teleportasi kuantum). Hal ini memungkinkan komputer untuk melakukan yang setara dengan percabangan IF, mengubah algoritma berdasarkan hasil pengukuran qubit tunggal. Setelah mengukur, qubit juga dapat dikembalikan ke keadaan semula dan digunakan kembali untuk perhitungan lebih lanjut.

Komponen individu dari sistem berperilaku sempurna. Salah satu masalah potensial adalah "kesalahan persiapan dan pengukuran negara", yang telah disingkat menjadi SPAM [persiapan negara dan kesalahan pengukuran]. Dalam hal ini, peneliti dari Honeywell menemukan bahwa SPAM didominasi oleh kesalahan pengukuran, tetapi mereka terjadi pada kurang dari 1% kasus. Untuk gerbang qubit tunggal, kesalahan terjadi urutan besarnya lebih jarang, untuk gerbang dua qubit, pada tingkat yang sama. Dan semua ini jauh lebih rendah daripada indikator khas transmon.

Tentang indikator kinerja itu

Honeywell menyajikan ini sebagai "komputer kuantum paling kuat di dunia", namun, kebenaran pernyataan itu sangat tergantung pada skema pengukuran kecepatan yang digunakan. Honeywell menggunakan ukuran yang ditentukan oleh IBM dan menyebutnya "volume kuantum." Kami akan mengutip bagian dari analisis volume kuantum yang dibuat oleh Chris Lee, karena ia menggambarkan hubungannya dengan komputer dari Honeywell dengan baik:

Karena gerbang kuantum selalu dapat memberikan kesalahan, ada sejumlah operasi maksimum yang dapat dilakukan sebelum tidak masuk akal untuk mempertimbangkan keadaan qubit sebagai benar. Jumlah ini, dikalikan dengan jumlah qubit, memberi kita kedalaman sirkuit. Jika digunakan dengan jujur, itu cukup akurat menggambarkan kemampuan komputer kuantum.

Masalah dengan kedalaman adalah bahwa dimungkinkan untuk menjaga jumlah total qubit konstan (dan kecil), mengurangi persentase kesalahan menjadi nilai yang sangat kecil. Akibatnya, Anda mendapatkan kedalaman yang sangat besar, tetapi pada saat yang sama ternyata hanya melakukan perhitungan yang sesuai dengan jumlah qubit yang Anda miliki. Komputer kuantum dua-qubit yang sangat mendalam masih tidak berguna.

Ternyata tujuan penilaian adalah untuk mengekspresikan kemampuan komputasi indikator, yang mencakup jumlah qubit dan kedalaman rangkaian. Untuk volume tertentu dari algoritma dan masalahnya, ini akan menjadi jumlah minimum qubit yang diperlukan untuk perhitungan. Dan tergantung pada koneksi qubit satu sama lain, untuk implementasi algoritma, sejumlah operasi akan diperlukan. Peneliti mengungkapkan angka ini dengan membandingkan jumlah maksimum qubit yang terlibat dalam perhitungan dengan kedalaman rangkaian, dan mengkuadratkan minimum dari kedua indikator ini. Jadi volume kuantum maksimum yang mungkin hanya akan menjadi jumlah qubit kuadrat.

Seperti disebutkan di atas, Honeywell melaporkan tingkat kesalahan yang sangat rendah, yang berarti bahwa setiap perhitungan yang berjalan pada empat qubit komputernya kemungkinan besar tidak mengandung kesalahan. Dan karena ion dapat dipindahkan di dalam perangkat sesuka hati, mereka dapat dihubungkan satu sama lain secara sewenang-wenang. Ternyata volume kuantum sama dengan jumlah qubit yang dikuadratkan. Ini berbeda dari kinerja peralatan yang digunakan oleh Google dan IBM, di mana 10 kali lebih banyak qubit, tetapi lebih banyak kesalahan, dan qubit hanya dapat dihubungkan dengan sejumlah kecil perangkat yang berdekatan.

Akibatnya, agar mesin dari Honeywell dapat mengejar ketinggalan dengan mesin-mesin pesaingnya dalam hal volume kuantum, ia tidak harus menambahkan terlalu banyak qubit tambahan. Struktur mesin yang dideskripsikan hari ini pasti memungkinkan Anda untuk menambahkan qubit ke dalamnya. Akibatnya, perusahaan mengklaim volume kuantum 64, yang berarti delapan qubit, dan ada setiap alasan untuk mempercayainya.

Namun, jika IBM telah memperkenalkan komputer yang berisi hampir 64 qubit nyata, dan Google harus segera mengikutinya, akankah cuaca hanya menghasilkan delapan qubit? Jawabannya, seperti biasa, tidak jelas. Beberapa algoritma akan sangat tergantung pada konektivitas qubit. Dan meskipun mereka dapat diluncurkan pada mesin yang lebih besar dengan konektivitas yang lebih sedikit, ini membutuhkan sejumlah besar qubit yang berfungsi sebagai penghubung tautan, pengorganisasian konektivitas yang setara, dan masing-masing dari mereka berpotensi mampu memasukkan kesalahan ke dalam perhitungan. Konektivitas tinggi dari mesin Honeywell dapat mengimbangi kebutuhan untuk operasi tambahan, dan operasi masih bukan sumber kesalahan utama. Close-up trap ion; berbagai zona untuk menyimpan dan memanipulasi qubit terlihat

Dan ada juga masalah penskalaan. Attley mengatakan bahwa perusahaan harus dapat meningkatkan volume kuantumnya dengan urutan besarnya setiap tahun selama lima tahun ke depan, yang akan membutuhkan penambahan 3-4 qubit per tahun. Ini berarti bahwa bahkan setelah lima tahun, komputer akan memiliki sekitar 30 qubit - setengah dari kinerja pesaing saat ini. Sementara itu, Google dan IBM bekerja untuk mengurangi kesalahan dan menambahkan beberapa lusin qubit ke mesin mereka setiap beberapa tahun.

Jika rencana semua perusahaan menjadi kenyataan, dalam beberapa tahun situasinya akan menjadi sangat menarik. Honeywell akan memiliki keunggulan signifikan dalam volume kuantum, dan para pesaingnya dengan besi pada transmon akan memiliki urutan lebih banyak qubit. Sementara itu, tim yang menggunakan transmon bermaksud untuk membuat komputer kuantum dengan koreksi kesalahan, yang akan membutuhkan ribuan qubit - yang berarti bahwa para peneliti berharap bahwa dari titik tertentu mereka akan belajar menambahkan ratusan qubit dengan setiap generasi chip baru.

Karena tidak jelas kapan, menurut perusahaan, pertumbuhan qubit seperti itu harus dimulai, tidak jelas bagaimana cara keluar Honeywell dapat mengubah lanskap kompetitif.

Apa yang akan kita miliki sejauh ini

Honeywell, sebuah perusahaan yang divisinya melakukan segalanya mulai dari barang olahraga hingga kontrak dengan militer, jelas merupakan pesaing yang tidak biasa di pasar yang didominasi oleh campuran startup dan perusahaan komputer tradisional. Namun, perusahaan itu menceritakan kisah yang konsisten tentang masuknya ke pasar: sebagai bagian dari pekerjaan manufakturnya, Honeywell telah mengembangkan banyak komponen komputer pada perangkap ion - seperti fotonik, kriogenik, sistem vakum - untuk tujuan lain. Dan sekelompok ilmuwan dari perusahaan tersebut mengatakan bahwa potensi area ini cukup besar sehingga layak untuk dikembangkan. Dan karena Honeywell adalah perusahaan besar, ia mampu merekrut sekelompok orang yang cukup kuat yang bersemangat dalam pengembangan proyek ini.

Seperti perusahaan lain di bidang ini, Honeywell menetapkan bahwa sebagian besar perusahaan tidak ingin membuat infrastruktur sendiri di mana sistem pendingin helium cair mereka dapat beroperasi. Karena itu, Honeywell akan menyediakan akses ke komputer kuantumnya melalui cloud. Dia juga setuju dengan Microsoft sehingga sistem dapat diakses melalui layanan Azure-nya.

Untuk menulis program yang digunakan dalam karya saat ini, para peneliti Honeywell mengadaptasi Qiskitdari IBM, alat open source yang memungkinkan Anda untuk menggambarkan algoritma kuantum dalam bentuk yang tidak terikat pada perangkat keras tertentu, dan kemudian mengeluarkan perintah nyata untuk menjalankan program pada perangkat keras tertentu (seperti kompiler lintas platform). Perusahaan dengan demikian berharap untuk mengambil keuntungan dari solusi ahli yang ada. Ini juga dapat berarti bahwa perusahaan akan dapat mengembangkan seperangkat algoritma kuantum, dan kemudian menjalankannya pada sistem apa pun dengan properti yang mereka butuhkan - konektivitas tinggi atau sejumlah besar qubit - untuk mencapai kinerja yang diperlukan.

Teman dan pesaing

Mungkin karena pengenalan arsitektur yang sama sekali baru, perusahaan menggabungkan pengumuman teknologinya dengan dua kontribusi kepada perusahaan yang sudah mengembangkan algoritma kuantum. Dia juga mengumumkan bahwa raksasa keuangan JPMorgan Chase akan bekerja dengan Honeywell untuk mengeksplorasi kemungkinan menggunakan sistemnya untuk mengembangkan algoritma keuangan. Ini tidak berarti bahwa sistem sepenuhnya siap digunakan; Kami sudah berbicara dengan orang-orang dari JPMorgan Chase, dan mereka berkata bahwa mereka berusaha untuk menjamin bahwa perusahaan sepenuhnya siap untuk komputer kuantum praktis.

Semua ini memberikan kesaksian yang mendukung fakta bahwa Honeywell menanggapi perkembangannya dengan serius dan berharap untuk menjadi salah satu pesaing utama dalam ruang komputasi kuantum. Dan jika ramalannya untuk masa depan menjadi kenyataan, maka hal itu mungkin terjadi.

Pengamat mungkin tergoda untuk membandingkan situasi dengan persaingan arsitektur komputer tradisional, di mana x86 dan ARM secara aktif berjuang hari ini. Namun, arsitektur yang berbeda ini dibuat menggunakan metode yang sama dan bekerja dengan komponen yang sama. Dalam kasus yang dijelaskan, dua arsitektur yang bersaing didasarkan pada sistem yang benar-benar berbeda secara fisik, di mana hanya beberapa aturan kerja yang bersamaan. Ini adalah serangkaian kondisi yang sangat berbeda, dan jauh lebih menarik.