מעניין

התמודדות עם שגיאות במחשוב קוונטי

התמודדות עם שגיאות במחשוב קוונטי

מכניקת הקוונטים היא אחד הענפים הנערצים של המדע, שם נושא המחקר הוא על חלקיקים תת-אטומיים. בעזרת מכניקת הקוונטים הצלחנו ללמוד כיצד חלקיקים קטנים מאוד בעולם, בטווח האטומים, האלקטרונים והפוטונים, מתנהגים בעולם.

ותרומתם הבולטת ביותר בעולם? מחשבים קוונטיים, טכנולוגיות תקשורת לייזר, טרנזיסטורים, מיקרוסקופים אלקטרונים וכו '.

עם זאת, מידע קוונטי כפוף לשינויים בהתבסס על גורמי הרחבה רבים. כל שינוי מהערך המקורי יגרום לשגיאה, ותיקון שגיאות קוונטי או (QEC) משמש כדי לשמור על הסדר של הערכים.

קשורים: 5 בעיות מחשוב קוונטום בלתי ניתנות לפתרון ייפתרו

במאמר זה, בואו נדון בכמה מהמורכבויות התמוהות של מכניקת הקוונטים, כיצד הן גורמות לשגיאות וכיצד מנסים המדענים לתקן אותן.

כאשר אנו מדברים על מכניקת קוונטים, אנו תמיד מקשרים זאת לאטומים. אך מכיוון שתחום מכניקת הקוונטים מתקדם כל כך, אנו יכולים אפילו למתוח אותו כדי להסביר את הדברים הגדולים יותר, ליתר דיוק את הדברים היומיומיים סביבנו, נכון?

לא, בניגוד לאמונה הרווחת הזו, שימוש בתיאוריית הקוונטים להסבר אובייקטים גדולים מחזיר לרוב ערכים כוזבים. בהגדרה יותר מכוונת מדעית, אנו יכולים לומר שמכניקת הקוונטים אינה מבשרת טובות עם היחסות הכללית שאינשטיין הציע.

קשורים: 10 דרכים שאתה רואה את תורת היחסים של אסטנשטיין בחיים האמיתיים

כדי להבין את הפער בין מכניקת הקוונטים לבין תורת היחסות, עלינו להבין הן בהגדרתם הבסיסית והן כיצד הן חלות על העולם.

במכניקת הקוונטים אנו חוקרים אטומים ואף חלקיקים קטנים יותר כמו אלקטרונים. חלקיקים תת-אטומיים אלה נשלטים על ידי מערכת כללים שונה מזו של חוקי הפיזיקה.

קשורים: מקסימום נולד וגיבוש מכניקת הקוואנטום

למשל, תורת הקוונטים קובעת כי לחלקיקים כמו אלקטרונים יש אופי חלקיקים וגם טבע גל, והם מסוגלים להתקיים בשני מקומות בו זמנית. זה לא מתאים היטב לעולם המאקרו בו אנו חיים מכיוון שהאובייקטים סביבנו, בין אם זה שולחן או כדור, קיים רק במקום אחד בכל פעם.

היבט נוסף של מכניקת הקוונטים הוא שהיא לא מצליחה להסביר את כוח המשיכה. על פי מכניקת הקוונטים, חלוף הזמן והמרחב קבועים.

קשורים: 5 עובדות מפוצצות על כוח המשיכה

עם זאת, על פי איינשטיין, מרחב וזמן הם יחסית. יתר על כן, החלל יכול להתכופף ולעוות. זה ללא ספק התכווצות לאופן בו תורת הקוונטים רואה את הדברים.

וכאן נכנסות השגיאות שדיברנו עליהן. אז איך מדענים מגשרים על הפער הזה?

איננו יכולים להתעלם משתי התיאוריות מכיוון ששניהם צודקים באותה מידה במערכת האקולוגית שלהם. כאשר אנו לוקחים עצמים גדולים יותר, תורת היחסות נותנת לנו מידע מדויק על האופן שבו האובייקט מגיב ומתנהג בנוכחות כוחות מסוימים.

וכאשר אנו חוקרים את החלקיקים הקטנים ביותר ביקום, מכניקת הקוונטים מציירת תמונה ברורה של קיומם וכיצד הם מתקשרים זה עם זה. איננו יכולים לקבל אותה רמת הבנה של התחום הקוונטי שיש לנו כיום ללא מכניקת קוונטים.

עם זאת, כאשר מכניקה מיקרו ומקרו מקיימת אינטראקציה, הם אינם מספקים תשובות זה לזה, ויוצרים טעויות בחישובים ובממצאים. אז מה נסיק?

גם עכשיו, בכל הכוח הטכנולוגי שלנו, השגיאות של מכניקת הקוונטים כשמדורגות לפרופורציות מאקרו עדיין נשארות חמקמק.

יש רק שני הסברים אמיתיים שיש לנו להשלים עם הבעיה.

או שמכניקת הקוונטים אינה ישימה אוניברסאלית, ולכן לא ניתן להחיל אותה במונחים של עצמים גדולים. ההסבר הנוסף לטעויות אלה הוא כי לפיסיקה חסרות עובדות ברורות ואפשרויות מסוימות שאינן מוכרות לנו.

הדרך היחידה לעקוף את הבעיה היא להגביל את השימוש במכניקת הקוונטים כדי להעריך אובייקטים בגדלים מסוימים.

עם זאת, יש תחום שבו נעשה שימוש יותר ויותר במכניקת הקוונטים לאורך השנים - מחשוב קוונטי. בדיוק כמו מחשב אישי, גם מחשבי קוונטים בנויים עם חלקים לא מושלמים.

ההבדל העיקרי הוא שקיימת מערכת מבוססת ששמורה רק לתיקון השגיאות במחשבים אישיים, בעוד שזה לא נכון לגבי מחשבים קוונטיים.

מחשבים קוונטיים מעבדים מידע בצורה של Qubits. לקוביטים יש יכולת להיות לא אחד ולא לאפס ויוצאים ממצבים שביניהם.

אבל Qubits רגישים מאוד לכוחות חיצוניים או לסביבה עצמה. זה סולל את הדרך לשגיאות לצלצל עם התוצאות.

השימוש בקוביטים לוגיים

מדען בכיר בקבוצת המחקר של אנדראס וולראף בשם סבסטיאן קרינר עשוי לקבל את התשובה לשאלה זו. הוא הזוכה הראשון בפרס לופז-לורטה ב- ETH ציריך, והגה רעיון שיעזור למחשוב קוונטי לעשות פחות טעויות.

הרעיון שלו הוא להציג סוג חדש של קוביט שנקרא קוביט לוגי. קוביט לוגי הוא אוסף של הקוביט האישי.

קשורים: מה יהיה שינוי מחשוב מחשב, בדיוק?

לכן, במקום לעבוד באופן אינדיבידואלי, הם עובדים ביחד, מורידים את שיעור השגיאות בתהליך. עם זאת, התנאי שה- Logic Qubit יעבוד הוא שעליהם להיות בעלי אמינות גבוהה מההתחלה עצמה.

אם יש להם שיעור שגיאות של יותר מאחוז אחד, ה- Logic Qubit יביא שגיאות נוספות, וזה אינו מניב. נעשים ניסויים לבדיקת קובצי הלוגיקה בכדי לחקור את השפעותיהם על מחשוב קוונטי.

שיטה אחרת מפותחת לתיקון שגיאות במחשבי קוואנטום בזמן אמת. דוקטורט. התלמידים ולאד נגנביצקי ומטאו מרינלי בעזרת פוסט-דוקטור קאראן מהטה ועמיתים אחרים פיתחו מערכת שבה הם יכולים למדוד את תכונותיהם של שני מינים שונים במחרוזת, יונים בריליום (9Be +) ויון סידן אחד (40Ca +).

היתרון בכך שיש שני מינים למדידה הוא שעל ידי שימוש בתכונות קוונטיות, מדידת המאפיינים של יסוד אחד תאפשר לחוקרים לדעת את מצבו של היסוד האחר, מבלי להפריע לו.

לדוגמא, ניטור יון סידן ייתן לחוקרים מידע על יוני הבריליום. והחלק הכי טוב הוא שניתן להחזיק את היונים לבדיקות מרובות מבלי להפריע ליוני הבריליום, מה שלא היה אפשרי בבדיקות מחשוב קוונטיות קונבנציונליות.

הצוות בנה גם מערכת בקרה שתתקן את יוני הבריליום ברגע שהם יסטו מהמסלול. סוג זה של איתור ותיקון שגיאות היה משהו שלא היה תקין במחשוב קוונטי.

ברור שמכניקת הקוונטים מגיעה עם נתח הטעויות שלה, אך רמת הכוח החישובית שהם מביאים לשולחן הופכת אותם לשיטה המסוגלת היחידה לפתרון בעיות מורכבות.

עם מחקר שמתרחש ברחבי העולם כדי לאתר ולתקן את השגיאות הקוונטיות, אנחנו בהחלט מתקדמים מהר יותר לעבר מחשוב קוונטי מעשי.


צפו בסרטון: The Mathematics of Quantum Computers. Infinite Series (סֶפּטֶמבֶּר 2021).