چگونه Nist به راه اندازی یک صنعت کمک کرد: نقش ما در شروع علوم اطلاعات کوانتومی پرش

اگر عاشق همه چیز کوانتومی مثل من هستید ، ممکن است آخرین اخبار مربوط به رایانه های کوانتومی و زمینه بزرگتر اطلاعات کوانتومی را نیز دنبال کنید. به نظر می رسد هر هفته ، محققان موفقیت در این قلمرو را اعلام می کنند. امروز ، صنعت ، آکادمی ، سازمان های دولتی و سازمان های دیگر همگی در اکوسیستم کوانتومی پر رونق نقش دارند.

آنچه ممکن است شما نمی دانید این است که آژانس علمی فدرال “کمی شناخته شده” ما-NIST-در شروع پرش کل حوزه علم اطلاعات کوانتومی در دهه 1990 نقش بزرگی ایفا کرد.

بنابراین در این سال بین المللی علم و فناوری کوانتومی، من می خواهم چند داستان در مورد چگونگی این اتفاق برای شما تعریف کنم. در طول راه ، من برخی از بینش ها را مستقیماً از چند پیشگام در این زمینه به اشتراک می گذارم.

اطلاعات کوانتومی در دامان Nist قرار می گیرد

در یک مقاله نظری سال 1994 ، ریاضیدان پیتر شر دریافت که رایانه هایی که با قوانین مکانیک کوانتومی کار می کنند می توانند به طور بالقوه رمزگذاری معمولی را که از داده های الکترونیکی از ایمیل های ما محافظت می کند ، بشکنند. این کشف نظری نشان داد که رایانه های کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند ، اگر بتوانند ساخته شوند ، می توانند عواقب اساسی در دنیای واقعی داشته باشند.

در همین حال ، محققان NIST قبلاً بدون دانستن آن ، از ساختمانهای رایانه های کوانتومی – بلوک های ساختمانی از رایانه های کوانتومی برخوردار بودند.

آنها داخل ساعتهای اتمی بودند.

گروهی به سرپرستی برنده جایزه نوبل و نوبل آینده دیو وینلند کشف کرد که می تواند سالها کار را روی ساعتهای اتمی در محاسبات کوانتومی اعمال کند.

کریس مونرو ، فیزیکدان دانشگاه دوک ، که با ویندلند به عنوان دانشمند کارآموز زود هنگام در NIST در اواسط دهه 1990 با وین لند همکاری می کرد ، به یاد می آورد: “زمینه اطلاعات کوانتومی در دور ما سقوط کرد.” “ما به روشی خاص با اتم بازی می کردیم که آنها را برای ساعتهای اتمی بهتر می کند.”

آزمایشگاه NIST که در آن وینلند از سال 1975 تا 2018 کار می کرد (و هنوز هم هست) زمین حاصلخیز برای تحقیقات ساعت اتمی بود – و میوه های آن بسیاری از ابزارهای مورد نیاز برای ایجاد بلوک های ساختمانی را برای رایانه های کوانتومی فراهم می کرد.

اتصال رایانه ای رایانه

برای درک چگونگی اتصال رایانه های کوانتومی به ساعتهای اتمی ، بیایید در مورد نحوه کنترل رایانه ها صحبت کنیم.

رایانه ها اطلاعاتی مانند کلمات ، اعداد و تصاویر را به یک سری 0 و 1 تبدیل می کنند. این 0 و 1 ها به رقم های باینری یا بیت ها گفته می شود.

رایانه های سنتی بیت هایی را در دستگاه هایی مانند هارد مغناطیسی ذخیره می کنند که شامل تکه های ریز از مواد مغناطیسی است که به دامنه ها معروف هستند. “0” را می توان با دامنه ای که میدان مغناطیسی آن به پایین نشان می دهد ، نشان دهد. “1” دامنه ای است که یک میدان مغناطیسی به بالا نشان می دهد. درایو داده ها را می خواند و دارای “سر نوشتن” است که می تواند با چرخاندن جهت مغناطیس ، 0 را به 1 یا برعکس تغییر دهد. یک بیت سنتی نمی تواند به طور همزمان هر دو رقم باشد.

Qubits یا بیت های کوانتومی با اتم های فردی یا اشیاء دیگری که از قوانین فیزیک کوانتومی پیروی می کنند ، ساخته می شوند. اتم ها می توانند مانند یک سیب زمینی داغ انرژی زیادی داشته باشند ، یا می توانند حداقل انرژی خود را مانند یک سیب زمینی ماوراءسولر داشته باشند. یک اتم در یک حالت با انرژی پایین می تواند 0 را نشان دهد. همان اتم در یک حالت با انرژی بالاتر می تواند 1 را نشان دهد.

به گفته فیزیک کوانتومی ، یک اتم می تواند در همان زمان در حالت کم مصرف و بالاتر قرار داشته باشد ، پدیده ای که به عنوان ابرقهرمان شناخته می شود. این بدان معناست که یک بیت کوانتومی می تواند به طور همزمان 0 و 1 باشد.

در حالی که محققان می توانند فقط یک محاسبه را به طور همزمان با بیت های سنتی انجام دهند ، می توانند چندین محاسبات را همزمان با Qubits انجام دهند. یک رایانه کوانتومی که حاوی بسیاری از ubbits است ، می تواند در کسری از زمان انجام رایانه های سنتی ، کارهای خاصی را انجام دهد.

همانطور که اتفاق می افتد ، ساعتهای اتمی با قرار دادن اتمها در یکپارچه سازی حالتهای کم مصرف و پر انرژی کار می کنند- برخی از اتمها را به کاندیداهای ایده آل تبدیل می کنند تا به عنوان بیت های کوانتومی خدمت کنند.

NIST اولین کارگاه در مورد اطلاعات کوانتومی را برگزار می کند

در اوایل دهه 1990 ، در آزمایشگاه های NIST در بولدر ، کلرادو ، وینلند و همکارانش مشغول کار بر روی آخرین ساعتهای اتمی خود بر اساس یون های اتمی (اتم های شارژ) بودند. در همین زمان ، فیزیکدانانی که از اطلاعات کوانتومی آگاه بودند ، بین آنها بسیار اندک بودند.

یکی از این استثنائات دانیل کلپنر ، فیزیکدان اتمی در MIT بود که نظارت بر دکتری را بر عهده داشت. پایان نامه آینده بیل فیلیپس برنده جایزه نوبلبشر در MIT ، Kleppner صحبت های جذاب Artur Ekert در مورد اطلاعات کوانتومی را شنید.

Kleppner توصیه کرد که اکرت دعوت شود تا در کنفرانس بین المللی فیزیک اتمی صحبت کند ، که در تابستان 1994 در بولدر برگزار می شود.

اکرت ، سپس یک پست دکتری در دانشگاه آکسفورد گفت: “به من یک جماعت کاملاً متفاوت برای موعظه داده شد ، اما احساس کردم که موعظه می کنم به افراد تبدیل شده.” “من شگفت زده شدم که فیزیکدانان اتمی چقدر مشتاق موضوع محاسبات کوانتومی بودند.”

در ضمن ، چارلز کلارک ، فیزیکدان NIST کارگاه NIST را در مورد محاسبات و ارتباطات کوانتومی ، که در اوت در گیتسبورگ ، مریلند برگزار می شود ، برگزار کرد. به عنوان اولین کارگاه اصلی اختصاص داده شده به این مباحث ، امروز به عنوان یک رویداد برجسته شناخته می شود.

اندکی پس از این جلسات ، فیزیکدانان نظری Ignacio Cirac ، اکنون در موسسه مکس پلانک اپتیک کوانتومی در آلمان ، و پیتر زولر از دانشگاه اینسسبروک در اتریش ایده ای برای ساختن رایانه های کوانتومی در آزمایشگاه به وجود آوردند. چند سال قبل ، هر یک از آنها وقت خود را در JILA ، انستیتوی مشترک NIST و دانشگاه کلرادو بولدر گذرانده بودند. الهام گرفته از صحبت اکرتبا مقاله آنها در ماه مه 1995 پیش بینی شده با استفاده از یونهای فردی به عنوان بیت های کوانتومی برای محاسبات کوانتومی در یک سیستم آزمایشی مشابه آنچه که فیزیکدانان ساعت اتمی NIST ساخته بودند.

هنگامی که وینلند و همکارانش این مقاله را دیدند ، بلافاصله موازی بین کنترل اتم ها در یک ساعت اتمی و انجام محاسبات کوانتومی را مشاهده کردند.

وی گفت: “نوع فناوری ای که ما استفاده می کنیم بسیار یکسان است.”

اولین دروازه منطق کوانتومی با Qubits جداگانه

دروازه های منطق بلوک های ساختمانی برای پردازش اطلاعات در رایانه ها هستند. آنها ورودی های 0 و 1 را می گیرند ، آن بیت ها را پردازش می کنند و خروجی ها را نیز به شکل 0 و 1 تولید می کنند.

انواع مختلفی از دروازه های منطق وجود دارد ، و آنها داده ها را به روش های مختلف پردازش می کنند. هنگام اتصال ، آنها می توانند طیف گسترده ای از کارهایی را که رایانه ها می توانند انجام دهند ، از خرد کردن شماره ها در صفحه های گسترده گرفته تا ایجاد چت های AI که به ورودی های شما پاسخ می دهند ، انجام دهند.

در سال 1995 ، گروه NIST اولین نسخه کوانتومی یک دروازه منطقی را با استفاده از qubits های فردی در یون های بریلیم ساخت. آنها از لیزر برای پیوند یا “Ecangle” دو مورد از این qubits استفاده کردند ، به طوری که آنها برای تولید یک خروجی ، دقیقاً مانند یک دروازه منطقی ، در تعامل بودند. از آنجا که دروازه های منطق در حال ساخت بلوک های رایانه هستند و یک دروازه منطق کوانتومی ایجاد می کنند که می تواند Qubits فردی را پردازش کند ، پیشرفت مهمی به سمت یک رایانه کوانتومی بود.

محققان نسخه کوانتومی از آنچه به عنوان یک دروازه منطقی کنترل شده شناخته می شود ، ایجاد کردند. در یک دروازه کنترل نشده ، مقدار اولیه بیت اول می تواند بر مقدار نهایی دوم تأثیر بگذارد. اگر مقدار بیت اول 1 باشد ، مقدار بیت دوم را می چرخاند (برای مثال ، از 0 تا 1). بنابراین ورودی های احتمالی این دو بیت 00 ، 01 ، 10 و 11 و خروجی های مربوطه 00 ، 01 ، 11 و 10 است.

یک دروازه منطقی سنتی ، با بیت های کلاسیک ، فقط می تواند یکی از این ورودی ها را همزمان پردازش کند. اما دروازه های منطق کوانتومی با Qubits کار می کنند ، که می تواند در موارد 0 و 1 باشد و بنابراین می تواند هر چهار ورودی ممکن را همزمان پردازش کند. در نتیجه ، یک دروازه منطق کوانتومی قادر به انجام محاسباتی است که برای دروازه های منطق کلاسیک غیرممکن است.

نمونه اولیه دروازه منطق کوانتومی در مقاله 1995 بلافاصله علاقه سایر محققان را که تا به امروز این کار را بیش از 1200 بار ذکر کرده اند ، جلب کرد. وینلند جایزه نوبل 2012 را در فیزیک به اشتراک گذاشت “برای روشهای تجربی زمینی“که شامل”اولین قدم ها برای ساختن یک نوع جدید از رایانه فوق العاده سریع ، بر اساس فیزیک کوانتومی. “

دانشمندان شروع به فکر کردن در مورد مقیاس بندی این دروازه منطق کوانتومی فردی – با دو qubits خود – به چندین دروازه منطق کوانتومی در رایانه های کوانتومی حاوی بسیاری از زبانها کردند. با هر quit اضافی ، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند از نظر ظاهری پیچیده تر دستکاری کند. محققان تصور می کنند که رایانه های کوانتومی در انجام کارهای خاص ، از فاکتورسازی تعداد بسیار زیادی که در رمزگذاری سنتی گرفته تا انجام شبیه سازی های دنیای کوانتومی استفاده می شوند ، خوب هستند.

NIST به راه اندازی یک صنعت کمک می کند

گفتن اینكه NIST با ساختن اولین دروازه Quantum Logic و میزبانی اولین كارگاه در مورد محاسبات كانتومی ، به راه اندازی صنعت كانتومی كمك می كند ، كمك نمی شود.

بسیاری از شرکت ها ، از شرکت های جهانی گرفته تا استارتاپ های کوچک ، اکنون در تلاشند تا رایانه های کوانتومی ایجاد کنند. و بسیاری از فارغ التحصیلان NIST ، از جمله مونرو ، برای برخی از این شرکت ها به کار خود ادامه داده اند یا حتی راه اندازی می شوند.

روش های مختلفی برای ساخت رایانه های کوانتومی وجود دارد ، اما مواردی که از دروازه های منطق کوانتومی استفاده می کنند ، یک طراحی پیشرو باقی مانده است. امروزه ، رایانه های کوانتومی مبتنی بر دروازه با صعود از 1000 qubits وجود دارد.

و از روزهای اول علوم اطلاعات کوانتومی ، محققان NIST برای بسیاری از پست های دکتری ، دانشجویان ، دانشمندان حرفه ای اولیه و محققان بازدید کننده که به انجام کارهای بزرگ در این زمینه رفته اند ، آموزش و مربیگری را ارائه داده اند.

اگرچه محاسبات کوانتومی پیشرفت پایدار داشته است ، اما هنوز یک جاده طولانی در پیش است تا اینکه ما رایانه های کوانتومی کار کنیم که کارهای مفیدی را انجام می دهند که برای رایانه های کلاسیک غیرممکن است ، مانند تحقق رویای اصلی اجرای الگوریتم رمزگذاری Shor.

وینلند گفت: “ما هنوز در مراحل اولیه ماراتن هستیم.”

و وقتی صحبت از این سفر اطلاعات کوانتومی می شود ، NIST و موسسات مشترک آن برای طولانی مدت در آن قرار دارند.