Κατασκευή της Επόμενης Γενιάς Υπολογιστών με Κβαντικούς Εκπομπούς και Υπέρυθρες Λέιζερ

Η ιστορία των υπολογιστών είναι αλληλένδετη με την ιστορία της σύγχρονης τεχνολογίας. Όλα ξεκίνησαν τον 19ο αιώνα, όταν, το 1801, ένας Γάλλος έμπορος και εφευρέτης, ο Marie Jacquard, εφηύρε ένα πλέξιμο με τρυπημένες ξύλινες κάρτες για να υφαίνει αυτόματα σχέδια υφασμάτων.

Ωστόσο, η πιο σημαντική πρόοδος στην αυτοματοποιημένη υπολογιστική εκείνη την αιώνα συνέβη όταν ο Άγγλος μαθηματικός Charles Babbage σχεδίασε μια μηχανή υπολογισμού που λειτουργούσε με ατμό, ικανή να υπολογίζει πίνακες αριθμών. Η πιο επαναστατική εφεύρεση του 20ού αιώνα ήρθε το 1936 από τον Alan Turing, Βρετανό επιστήμονα και μαθηματικό, ο οποίος εισήγαγε μια καθολική μηχανή, αργότερα ονομασμένη Μηχανή Turing. Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η έννοια των σύγχρονων υπολογιστών βασίζεται θεμελιωδώς στις ιδέες του Alan Turing.

Από τότε, αποτελεί μια αλυσίδα προόδου. Το 1939, οι David Packard και Bill Hewlett ίδρυσαν την εταιρεία Hewlett Packard, και το 1953, η Grace Hopper ανέπτυξε την πρώτη γλώσσα προγραμματισμού, COBOL, ακολουθούμενη από τον John Backus και την ομάδα του προγραμματιστών στην IBM που δημοσίευσαν ένα άρθρο περιγράφοντας τη νεοδημιουργημένη γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN.

Η σειρά των εφευρέσεων που εμπλουτίζουν την τεχνολογία υπολογιστών κατά τα χρόνια έχει επικεντρωθεί σε πολλαπλές πτυχές. Μερικές φορές, ήταν η ανάπτυξη μιας επαναστατικής γλώσσας ή λογισμικού και, άλλες φορές, κρίσιμου υλικού. Τέτοιες εφευρέσεις συνεχίζουν να συμβαίνουν, βοηθώντας στην κατασκευή της επόμενης γενιάς υπολογιστών, κάτι πραγματικά «φουτουριστικό», με την πιο αυθεντική έννοια του όρου.

Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε δύο τέτοιες εφευρέσεις που αφορούν Κβαντικούς Εκπομπούς και Υπέρυθρες Λέιζερ. 

Προχωρώντας προς μια Μεγάλη Επανάσταση: Ένας Κλιμακώσιμος Κβαντικός Υπολογιστής

Η επίτευξη προέρχεται από μια ομάδα ερευνητών υπό την ηγεσία του Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι πέτυχαν στην προσπάθειά τους να χρησιμοποιήσουν μια φεμτοδευτερόλεπτη στρώση για τη δημιουργία και την «αναισθητοποίηση» των qubits μέσω νιφάδας πυριτίου με υδρογόνο. Οι ερευνητές τόνισαν ότι μπορούν να εκτελέσουν αυτή τη διαδικασία κατόπιν ζήτησης και με ακρίβεια. 

Αλλά, για να μπορέσουμε να κατανοήσουμε πλήρως τη σημασία της έρευνας, πρέπει να γνωρίζουμε τι είναι τα qubits και γιατί είναι σημαντικά!

Η Ανάγκη για Σύνδεση Δισεκατομμυρίων Qubits

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να αποδείξουν επαναστατικούς ρόλους στην ικανότητά τους να λύνουν προβλήματα ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα από μερικούς από τους πιο προηγμένους υπερυπολογιστές που είναι διαθέσιμοι σήμερα. Αυτές οι μηχανές έχουν τη δυνατότητα να φέρουν επαναστατικές προόδους σε τομείς όπως η υγειονομική περίθαλψη, η φαρμακοβιομηχανία και η τεχνητή νοημοσύνη. Αλλά για να συμβούν όλα αυτά, η βιομηχανία πρέπει να βρει τρόπο να συνδέσει δισεκατομμύρια qubits ή κβαντικά bits, οδηγώντας στην τελική ανάπτυξη ενός εξαιρετικά αποδοτικού δικτύου κβαντικών υπολογιστών.

Η έρευνα έχει πλέον δείξει έναν τρόπο ενδυνάμωσης των κβαντικών υπολογιστών χρησιμοποιώντας προγραμματιζόμενα οπτικά qubits ή «spin-photon qubits» που μπορούν να συνδέσουν κβανικούς κόμβους μέσω ενός απομακρυσμένου δικτύου. 

Καθώς εξηγούσαν τη σημασία της έρευνας και τα αποτελέσματα που παρήγαν, η Kaushalya Jhuria, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στη Division Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) του Berkeley Lab, έκανε την ακόλουθη παρατήρηση:

Για να δημιουργήσουμε μια κλιμακώσιμη κβαντική αρχιτεκτονική ή δίκτυο, χρειαζόμαστε qubits που μπορούν αξιόπιστα να σχηματίζονται κατόπιν ζήτησης, στις επιθυμητές θέσεις, ώστε να γνωρίζουμε πού βρίσκεται το qubit βρίσκεται σε ένα υλικό. Και γι’ αυτό είναι κρίσιμη η προσέγγισή μας. Διότι μόλις γνωρίζουμε πού βρίσκεται ένα συγκεκριμένο qubit, μπορούμε να καθορίσουμε πώς να συνδέσουμε αυτό το qubit με άλλα στοιχεία του συστήματος και να δημιουργήσουμε ένα κβαντικό δίκτυο.

Αλλά πώς η έρευνα επιτυγχάνει αυτόν τον στόχο; Το κάνει σχηματίζοντας qubits σε πυρίτιο με προγραμματιζόμενο έλεγχο. 

Η Ιστορία των «Κέντρων Χρώματος» του Πυριτίου και των «Spin Photon Qubits»

Με την υποστήριξη του Office of Science του DOE, η μελέτη χρησιμοποίησε ένα αέριο περιβάλλον για να δημιουργήσει προγραμματιζόμενα ελαττώματα γνωστά ως «κέντρα χρώματος» στο πυρίτιο. Αυτά τα κέντρα χρώματος είναι υποψήφια για «spin photon qubits» ή ειδικά κβαντικά bits τηλεπικοινωνίας.

Το κβαντικό ή qubit bit είναι η βασική μονάδα της κβαντικής πληροφορίας. Αυτό το μικρότερο στοιχείο ενός συστήματος κβαντικής πληροφορίας κωδικοποιεί δεδομένα σε 1, 0 ή οτιδήποτε μεταξύ τους, που είναι γνωστό ως υπέρθεση. Τα spin photon qubits, εν τω μεταξύ, εκπέμπουν φωτόνια με την ικανότητα να μεταφέρουν πληροφορίες κωδικοποιημένες στο σπιν του ηλεκτρονίου σε μεγάλες αποστάσεις.

Τώρα, για να σχηματίσουμε αυτά τα ειδικά qubits που μπορούν να υποστηρίξουν ένα ασφαλές κβαντικό δίκτυο με ακρίβεια, η μελέτη χρησιμοποίησε ένα υπερ-γρήγορο λέιζερ ικανό να εκπέμπει παλμούς ενέργειας σε λίγα φεμτοδευτερόλεπτα — κάθε παλμός τόσο σύντομος όσο ένα τετράκις του δευτερολέπτου, στοχευμένο σε μια περιοχή όχι μεγαλύτερη από ένα σκόνη σωματίδιο.

Κατά την ανίχνευση των οπτικών (φωτοφθορισμού) σημάτων των προκύπτοντων κέντρων χρώματος χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή κοντινού υπέρυθρου με σκοπό τον χαρακτηρισμό τους, η ομάδα εντόπισε ένα κέντρο Ci, το οποίο είναι κβαντικός εκπομπέας. Το κέντρο Ci έχει απλή δομή και υποσχόμενες ιδιότητες σπιν, ενώ είναι σταθερό σε θερμοκρασία δωματίου, καθιστώντας το εντυπωσιακό υποψήφιο spin photon qubit που εκπέμπει φωτόνια στη τηλεπικοινωνιακή ή ζώνη συχνοτήτων. Σύμφωνα με την Jhuria:

«Γνωρίζαμε από τη βιβλιογραφία ότι το Ci μπορεί να σχηματιστεί στο πυρίτιο, αλλά δεν περιμέναμε να δημιουργήσουμε πραγματικά αυτόν τον νέο υποψήφιο spin photon qubit με την προσέγγισή μας.» 

Αξιοσημείωτο, η αύξηση της έντασης του φεμτοδευτερόλεπτου λέιζερ κατά την επεξεργασία του πυριτίου παρουσία υδρογόνου μπορεί επίσης να αυξήσει την κινητικότητα του υδρογόνου. Αυτό, με τη σειρά του, παθητικοποιεί ανεπιθύμητα κέντρα χρώματος ενώ αφήνει το πλέγμα του πυριτίου αδιάβλητο.

Μια θεωρητική ανάλυση επίσης επιβεβαίωσε τις παρατηρήσεις του πειράματος ότι η φωτεινότητα του κέντρου χρώματος Ci μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά παρουσία υδρογόνου. Όπως εξήγησε η Jhuria, οι παλμοί του λέιζερ μπορούν όχι μόνο να εκτοξεύσουν αλλά και να επιστρέψουν τα άτομα υδρογόνου, «επιτρέποντας τον προγραμματιζόμενο σχηματισμό επιθυμητών οπτικών qubits σε ακριβείς θέσεις».

Η αξιόπιστη δημιουργία κέντρων χρώματος είναι απλώς η αρχή· τώρα, η ομάδα θέλει να κάνει διαφορετικά qubits να «μιλήσουν» μεταξύ τους και να δει ποια αποδίδουν καλύτερα. 

«Η δυνατότητα σχηματισμού qubits σε προγραμματιζόμενες θέσεις σε ένα υλικό όπως το πυρίτιο, το οποίο είναι διαθέσιμο σε κλίμακα, αποτελεί ένα συναρπαστικό βήμα προς την πρακτική κβαντική δικτύωση και υπολογισμό».

– Cameron Geddes, Διευθυντής της Division ATAP

Η τεχνική θα χρησιμοποιηθεί στο μέλλον για την ενσωμάτωση οπτικών qubits σε κβαντικές συσκευές όπως κυματοδηγοί, καθώς και για την εύρεση νέων υποψηφίων spin photon qubits με ιδιότητες βελτιστοποιημένες για επιλεγμένες εφαρμογές.

Νέες Προσεγγίσεις για την Επίτευξη Κβαντικού Υπολογισμού: Εργασία με Μόρια

Το πεδίο του κβαντικού υπολογισμού έχει κερδίσει σημαντική ώθηση τα τελευταία χρόνια, με ερευνητές να εργάζονται συνεχώς για την εύρεση νέων τεχνικών που θα το κάνουν εφικτό. Η διαχείριση οργανικών μορίων είναι ένα πεδίο που μελετάται για την πιθανή του εφαρμογή στον κβαντικό υπολογισμό. 

Η ομάδα του TU Graz διερεύνησε πώς να διεγείρει ικανά μόρια χρησιμοποιώντας παλμούς υπέρυθρου φωτός για τη δημιουργία μικρών μαγνητικών πεδίων. Εάν αυτή η τεχνική αναπτυχθεί περαιτέρω με επιτυχία στα πειράματα, μπορεί ακόμη να αξιοποιηθεί σε κυκλώματα κβαντικού υπολογιστή.

Αυτό είναι επειδή η επιλεκτική διαχείριση του υπέρυθρου φωτός επιτρέπει πραγματικά τον έλεγχο της κατεύθυνσης και της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Κάνοντας αυτό, τα μόρια μετατρέπονται σε υψηλής ακρίβειας οπτικούς διακόπτες, οι οποίοι μπορούν ακόμη και να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή κυκλωμάτων για έναν κβαντικό υπολογιστή, σύμφωνα με τον Andreas Hauser από το Ινστιτούτο Πειραματικής Φυσικής του TU Graz.

Ενώ οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μοριακών δονήσεων και σπιν μαγνητισμού είναι καλά τεκμηριωμένες στη μικροκυματική φασματοσκοπία, αυτή η μελέτη προτείνει μεθόδους για ενεργή διέγερση μοριακών δονήσεων που παράγουν μαγνητικό πεδίο σε στοχευμένες θέσεις.

Διεγείροντας Μόρια με Υπέρυθρα Λέιζερ για τη Δημιουργία Μαγνητικών Πεδίων

Όταν εκτίθενται σε υπέρυθρο φως, τα μόρια αρχίζουν να δονείται λόγω της παροχής ενέργειας. Χρησιμοποιώντας αυτό το φαινόμενο ως αφετηρία, οι φυσικοί άρχισαν να διερευνούν αν αυτές οι δονήσεις θα μπορούσαν, στην πραγματικότητα, να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία μαγνητικών πεδίων.

Για τον υπολογισμό τους, ο Hauser, μαζί με την ομάδα του, χρησιμοποίησαν μεταλλικές φθολοκυανίνες ως παράδειγμα. Η ομάδα διαπίστωσε ότι λόγω της υψηλής συμμετρίας αυτών των δακτυλιοειδών, αρωματικών, επίπεδων χρωστικών μορίων, παράγουν μικρά μαγνητικά πεδία στην κλίμακα νανομέτρων (< 1 nm) όταν εκτίθενται σε υπέρυθρες παλμούς. Με βάση αυτό, η μέτρηση της ισχύος του χαμηλού αλλά ακριβώς εντοπισμένου πεδίου μέσω φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού θα έπρεπε να είναι εφικτή.

Εκτός από την αξιοποίηση της εργασίας από τις πρώτες μέρες της φασματοσκοπίας λέιζερ, η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης σύγχρονη θεωρία ηλεκτρονικής δομής σε υπερυπολογιστές για να υπολογίσει πώς οι μακροκυκλικές φθολοκυανίνες αντιδρούν όταν εκτίθενται σε φως μέσω κυκλικά πολωμένου υπέρυθρου φωτός.

Η ομάδα διαπίστωσε ότι τα κυκλικά πολωμένα κύματα φωτός διεγείρουν ταυτόχρονα δύο μοριακές δονήσεις σε ορθογώνιες μεταξύ τους γωνίες. Συγκρίνοντας το με την τεχνική ρούμπας, ο Hauser εξήγησε:

«Ο σωστός συνδυασμός προ-πίσω και αριστερά-δεξιά δημιουργεί ένα μικρό, κλειστό βρόχο. Και αυτή η κυκλική κίνηση κάθε επηρεαζόμενου ατομικού πυρήνα δημιουργεί πραγματικά ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά μόνο πολύ τοπικά, με διαστάσεις στην κλίμακα μερικών νανομέτρων.» 

Ωστόσο, όλα αυτά είναι μόνο θεωρητικά. Η ομάδα θα εργαστεί τώρα για να αποδείξει ότι τα μοριακά μαγνητικά πεδία μπορούν να παραχθούν ελεγχόμενα πειραματικά ώστε να αξιοποιηθούν. 

Για το πείραμα, ωστόσο, χρειάζεται να εντοπίσουν ένα υπόστρωμα που αλληλεπιδρά ελάχιστα με τις στοχευμένες διεργασίες, καθώς οι επερχόμενες εφαρμογές απαιτούν την τοποθέτηση του μορίου φθολοκυανίνης σε μια επιφάνεια. Η εκτέλεση αυτού, όμως, αλλάζει τις φυσικές συνθήκες, οι οποίες επηρεάζουν την διέγερση που προκαλείται από το φως και τα χαρακτηριστικά του μαγνητικού πεδίου.

Έτσι, πριν μπορέσει να δοκιμαστεί πραγματικά σε πειράματα, η ομάδα πρέπει πρώτα να υπολογίσει την αλληλεπίδραση μεταξύ των τοποθετημένων φθολοκυανίνων, του υπέρυθρου φωτός και του υποστηρικτικού υλικού. Εάν το πείραμα επιβεβαιώσει τις προβλεπόμενες αλλαγές στις σταθερές μαγνητικής ασπίδας, η μελέτη λέει, μπορεί να θεωρηθεί ως η πρώτη μέτρηση ενός μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται δονητικά, με ενδομοριακή ανάλυση.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για Heron & Condor, τις τελευταίες εξελίξεις στην κβαντική υπολογιστική.

Εταιρείες που Προωθούν το Πεδίο του Κβαντικού Υπολογισμού

Υπάρχουν αρκετές εταιρείες, όπως η Microsoft, η Intel και η D-Wave, που εργάζονται για την προώθηση του κβαντικού υπολογισμού. Η IBM είναι ένα εξέχον όνομα που εστιάζει στον κβαντικό υπολογισμό εδώ και πολλά χρόνια. Πρόσφατα, συνεργάστηκε με το Ιαπωνικό Εθνικό Ινστιτούτο Προηγμένων Βιομηχανικών Επιστημών και Τεχνολογίας (AIST) για να βοηθήσει το τελευταίο να παράγει έναν κβαντικό υπολογιστή με 10.000 qubits πριν ολοκληρωθεί αυτή η δεκαετία. Έτσι, εν μέσω όλων αυτών των εξελίξεων, ας ρίξουμε μια πιο βαθιά ματιά σε μερικά άλλα σημαντικά ονόματα στον κλάδο:

#1. Google 

Ο τεχνολογικός γίγαντας έχει επενδύσει πολύ στην κατασκευή κβαντικών υπολογιστών για τα τελευταία πολλά χρόνια. Το 2019, η Google παρουσίασε για πρώτη φορά ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να εκτελέσουν έναν αλγόριθμο που θα ήταν αδύνατο για έναν συμβατικό υπερυπολογιστή.

Τον περασμένο χρόνο, ο κβαντικός επεξεργαστής Sycamore της Google παρουσιάστηκε με 70 qubits, μια άνοδο από τα 53 qubits της προηγούμενης έκδοσής του. Αυτό το καθιστά περίπου 241 εκατομμύρια φορές πιο γρήγορο και πιο ανθεκτικό από το προηγούμενο μοντέλο. Ο νέος κβαντικός υπολογιστής της Google, εν τω μεταξύ, προσομοιώνει τη συμπεριφορά των μαγνητών με μεγάλη λεπτομέρεια και μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε βαθύτερα το μαγνητισμό.

Σε ό,τι αφορά τον κβαντικό υπολογισμό, η Google χρησιμοποιεί μια προσέγγιση πλήρους στοίβας, που περιλαμβάνει την απρόσκοπτη ενσωμάτωση υλικού και λογισμικού. Η εταιρεία διεξάγει αυτή τη στιγμή έναν τριετή, 5 εκατομμυρίων δολαρίων παγκόσμιο διαγωνισμό με την ονομασία XPRIZE Quantum Applications για την προώθηση του πεδίου των κβαντικών αλγορίθμων.

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς 2,2 τρισεκατομμυρίων δολαρίων, οι μετοχές της Google διαπραγματεύονται στα 177,08 δολάρια, με άνοδο 26,88% από την αρχή του έτους. Έχει κέρδη ανά μετοχή (EPS) (TTM) 6,52, P/E (TTM) 27,18 και απόδοση μερίσματος 0,45%. Για το πρώτο τρίμηνο του 2024, η εταιρεία ανακοίνωσε έσοδα 80,5 δισεκατομμυρίων δολαρίων, με άνοδο 15% σε ετήσια βάση, ενώ το λειτουργικό της περιθώριο αυξήθηκε στο 32%.

#2. Dell 

Αυτή η τεχνολογική εταιρεία έχει επίσης αρχίσει να λαμβάνει συγκεκριμένα μέτρα στον κβαντικό υπολογισμό. Πρόσφατα, η Dell παρουσίασε μια υβριδική κλασική/κβαντική πλατφόρμα που αναπτύχθηκε με την IonQ. Επίσης ανακοίνωσε συνεργασία με την Aramco για την εξερεύνηση προόδων στον κβαντικό υπολογισμό, την τεχνητή νοημοσύνη και το edge computing. Μαζί, η Aramco και η Dell στοχεύουν στην αντιμετώπιση σύνθετων προκλήσεων στους τομείς της βελτιστοποίησης ενέργειας, της μοντελοποίησης καιρού, της επιστήμης υλικών και της προγνωστικής συντήρησης μέσω του κβαντικού υπολογισμού. 

Σύμφωνα με την Catherine Doyle, διευθύντρια της Dell Technologies Ireland, ο κβαντικός υπολογισμός θα βοηθήσει επίσης στην πρόοδο της τεχνητής νοημοσύνης καθώς «θα ενσωματωθεί στενά στο κοντινό μέλλον».

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς 100,74 δισεκατομμυρίων δολαρίων, οι μετοχές της Dell διαπραγματεύονται αυτή τη στιγμή στα 144,50 δολάρια, με άνοδο 85,66% από την αρχή του έτους. Έχει κέρδη ανά μετοχή (EPS) (TTM) 4,36, P/E (TTM) 32,55 και απόδοση μερίσματος 1,25%. Για το πρώτο τρίμηνο του 2024, η εταιρεία ανακοίνωσε έσοδα 22,2 δισεκατομμυρίων δολαρίων και καθαρό κέρδος 60 εκατομμύρια δολάρια.

Συμπέρασμα

Ο κβαντικός υπολογισμός αποτελεί έναν αναπτυσσόμενο τομέα ενδιαφέροντος για ερευνητές, οργανισμούς και κυβερνήσεις. Λόγω της ικανότητάς του να προσφέρει υψηλή ταχύτητα, ενισχυμένη ασφάλεια, μεγαλύτερη αποδοτικότητα, ακριβή προσομοίωση και βελτιωμένη ανάλυση, είναι λογικό ότι υπάρχει αυξημένη εστίαση μαζί με συνεχή έρευνα και επενδύσεις, που ενδέχεται τελικά να κάνουν τον κβαντικό υπολογισμό πραγματικότητα και να βρει εφαρμογές σε διάφορους τομείς.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για την τρέχουσα κατάσταση του κβαντικού υπολογισμού.