Pagbuo ng Susunod na Henerasyon ng mga Kompyuter gamit ang Quantum Emitters at Infrared Lasers

Ang kasaysayan ng mga kompyuter ay magkakaugnay sa kasaysayan ng makabagong teknolohiya. Nagsimula ito noong ika-19 na siglo, noong 1801, nang isang Pranses na mangangalakal at imbentor na si Marie Jacquard ay nag-imbento ng makinang panghabing may butas na kahoy na kard upang awtomatikong maghabing mga disenyo ng tela.

Gayunpaman, ang pinakamahalagang pag-unlad sa awtomatikong pagkwenta noong siglo ay nangyari nang ang Ingles na matematiko na si Charles Babbage ay nagdisenyo ng isang steam-driven calculating machine na kayang magkwenta ng mga talahanayan ng numero. Ang pinaka-rebolusyonaryong imbensyon noong ika-20 siglo ay nagmula noong 1936 mula kay Alan Turing, isang Briton na siyentipiko at matematiko, na nagpakilala ng isang unibersal na makina, na kalaunan ay tinawag na Turing Machine. Ipinapahayag ng mga siyentipiko na ang konsepto ng modernong mga kompyuter ay batay sa mga ideya ni Alan Turing.

Mula noon, ito ay naging sunod-sunod na pag-unlad. Noong 1939, sina David Packard at Bill Hewlett ay nagtayo ng Hewlett Packard Company, at noong 1953, si Grace Hopper ay nag-develop ng unang wika ng kompyuter, ang COBOL, kasunod ng si John Backus at ng kanyang pangkat ng mga programmer sa IBM na naglathala ng isang papel na naglalarawan ng kanilang bagong nilikhang wika ng programming na FORTRAN.

Ang agos ng mga imbensyon na nagpapayaman sa teknolohiya ng pagkompyut sa paglipas ng mga taon ay nakatuon sa maraming aspeto. Minsan, ito ay ang pag-develop ng isang makabagong wika o software at, sa ibang pagkakataon, mahalagang hardware. Ang mga ganitong imbensyon ay patuloy na nangyayari, tumutulong sa pagbuo ng susunod na henerasyon ng mga kompyuter, isang tunay na ‘futuristic,’ sa pinakamatinding kahulugan ng salita.

Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin ang dalawang imbensyon na kinabibilangan ng Quantum Emitters at Infrared Lasers. 

Paglapit sa Isang Malaking Tagumpay: Isang Nasusukat na Quantum Computer

Ang tagumpay ay nagmula sa isang pangkat ng mga mananaliksik na pinamumunuan ng Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Ipinahayag ng mga mananaliksik na nagtagumpay sila sa kanilang pagsubok na gumamit ng femtosecond layer upang lumikha at ‘pawalang-bisa’ ang mga qubit sa pamamagitan ng pag-doping ng silicon gamit ang hydrogen. Binigyang-diin ng mga mananaliksik na magagawa nila ang prosesong ito on demand at may katumpakan. 

Ngunit, upang lubos na maunawaan ang kahalagahan ng pananaliksik, kailangan nating malaman kung ano ang mga qubit at bakit sila mahalaga!

Ang Pangangailangan na Pag-ugnayin ang Bilyong mga Qubit

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

Ipinakita na ngayon ng pananaliksik ang isang paraan upang palakasin ang mga quantum computer sa pamamagitan ng paggamit ng programmable optical qubits o ‘spin-photon qubits’ na maaaring mag-ugnay ng mga quantum node sa isang malayuang network. 

Habang ipinaliwanag ang kahalagahan ng pananaliksik at ang mga resulta nito, sinabi ni Kaushalya Jhuria, isang postdoctoral scholar sa Berkeley Lab’s Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) Division, ang sumusunod:

“Upang makagawa ng nasusukat na quantum architecture o network, kailangan natin ng mga qubit na maaasahang mabubuo on-demand, sa mga ninanais na lokasyon, upang alam natin kung nasaan ang qubit sa isang materyal. At ito ang dahilan kung bakit kritikal ang aming pamamaraan. Dahil kapag alam na natin kung saan nakaupo ang isang tiyak na qubit, maaari naming matukoy kung paano iugnay ang qubit na ito sa iba pang mga bahagi ng sistema at lumikha ng isang quantum network.”

Ngunit paano naaabot ng pananaliksik ang layuning ito? Ginagawa ito sa pamamagitan ng pagbuo ng mga qubit sa silicon na may programmable control. 

Ang Kwento ng ‘Color Centers’ ng Silicon at ‘Spin Photon Qubits’

Sa suporta ng Office of Science ng DOE, ang pag-aaral gumamit ng isang gas environment upang lumikha ng programmable defects na kilala bilang “color centers” sa silicon. Ang mga color center na ito ay mga kandidato para sa “spin photon qubits” o espesyal na telecommunications qubits.

Ang quantum o qubit ay ang pangunahing yunit ng quantum information. Ang pinakamaliit na bahagi ng isang quantum information system ay nag-eencode ng data sa 1, 0, o anumang nasa pagitan nila, na kilala bilang superposition. Ang spin photon qubits, sa kabilang banda, ay naglalabas ng mga photon na may kakayahang magdala ng impormasyong naka-encode sa spin ng electron sa malalayong distansya.

Ngayon, upang mabuo ang mga espesyal na qubit na makakatulong sa pagsuporta ng isang ligtas na quantum network nang eksakto, ginamit ng pag-aaral ang isang ultrafast laser na kayang maglabas ng mga energy pulse sa loob lamang ng ilang femtoseconds—bawat pulse ay kasingikli ng isang quadrillionth ng segundo, na tinatarget sa isang lugar na hindi hihigit sa isang alikabok.

Sa pagsusuri ng mga optical (photoluminescence) signal ng mga nagresultang color center gamit ang isang near-infrared detector para sa pag-characterize nito, natuklasan ng koponan ang isang Ci center, na isang quantum emitter. Ang Ci center ay may simpleng estruktura at magagarang spin properties habang matatag sa room temperature, na ginagawa itong isang kahanga-hangang kandidato para sa spin photon qubit na naglalabas ng mga photon sa telecom o frequency band. Ayon kay Jhuria:

“Alam namin mula sa literatura na maaaring mabuo ang Ci sa silicon, ngunit hindi namin inaasahan na aktwal naming magagawa ang bagong kandidato ng spin photon qubit na ito gamit ang aming pamamaraan.”

Kagiliw-ilang, ang pagtaas ng intensity ng femtosecond laser kapag pinoproseso ang silicon sa presensya ng hydrogen ay maaari ring magpataas ng mobility ng hydrogen. Ito, sa kalaunan, ay nagpa-passivate ng mga hindi kanais-nais na color center habang hindi nasisira ang silicon lattice.

Isang teoretikal na pagsusuri rin ang nagpatunay sa mga obserbasyon ng eksperimento na ang kinang ng Ci color center ay maaaring mapataas nang malaki sa presensya ng hydrogen. Ayon kay Jhuria, ang mga laser pulse ay hindi lamang nagtataboy kundi nagbabalik din ng mga atom ng hydrogen, “pinapayagan ang programmable formation ng mga ninanais na optical qubit sa eksaktong lokasyon.” 

Ang maaasahang paggawa ng mga color center ay simula pa lamang; ngayon, nais ng koponan na magpagawa ng iba’t ibang qubit na mag-usap sa isa’t isa at alamin kung alin ang pinakamainam. 

“Ang kakayahang bumuo ng mga qubit sa programmable na lokasyon sa isang materyal tulad ng silicon na madaling makuha sa malaking sukat ay isang kapanapanabik na hakbang patungo sa praktikal na quantum networking at computing.”

– Cameron Geddes, Direktor ng ATAP Division

Ang teknik ay susunod na gagamitin upang isama ang mga optical qubit sa mga quantum device tulad ng waveguides pati na rin maghanap ng mga bagong kandidato ng spin photon qubit na may mga katangiang na-optimize para sa piling aplikasyon.

Mga Bagong Pamamaraan upang Makamit ang Quantum Computing: Paggamit ng mga Molekula

Ang larangan ng quantum computing ay nakakuha ng malaking atensyon sa paglipas ng mga taon, kung saan ang mga mananaliksik ay patuloy na naghahanap ng mga bagong teknik upang maisakatuparan ito. Ang pagmamanipula ng mga organikong molekula ay isang larangang pinag-aaralan para sa potensyal nitong aplikasyon sa quantum computing. 

Sinuri ng koponan sa TU Graz kung paano pasiglahin ang mga kompetenteng molekula gamit ang infrared light pulses upang lumikha ng maliliit na magnetic field. Kung ang teknik na ito ay matagumpay na ma-develop sa mga eksperimento, maaari itong magamit sa mga circuit ng quantum computer.

Ito ay dahil ang selektibong pagmamanipula ng infrared light ay talagang nagbibigay-daan upang kontrolin ang direksyon at lakas ng magnetic field. Sa paggawa nito, nagiging mga high-precision optical switch ang mga molekula, na maaaring magamit pa nga sa pagbuo ng mga circuit para sa quantum computer, ayon kay Andreas Hauser mula sa Institute of Experimental Physics sa TU Graz.

Habang ang mga interaksyon sa pagitan ng molecular vibrations at spin magnetism ay mahusay na dokumentado sa microwave spectroscopy, nagmumungkahi ang pag-aaral na ito ng mga pamamaraan upang aktibong pasiglahin ang molecular vibrations na nagbubuo ng magnetic field sa mga target na lokasyon.

Pagpapasigla ng mga Molekula gamit ang Infrared Lasers upang Lumikha ng Magnetic Fields

Kapag na-irradiate ng infrared light, nagsisimulang mag-vibrate ang mga molekula dahil sa enerhiya na ibinibigay. Gamit ang penomenong ito bilang panimulang punto, nagsimulang magtrabaho ang mga physicist upang alamin kung ang mga vibration na ito ay maaaring gamitin upang lumikha ng magnetic fields.

Para sa kanilang kalkulasyon, ginamit nina Hauser at ng kanyang koponan ang metal phthalocyanines bilang halimbawa. Natuklasan ng koponan na dahil sa mataas na simetriya ng mga ring-shaped, aromatic planar dye molecules na ito, nagbubuo sila ng maliliit na magnetic field sa nanometer range (< 1 nm) kapag na-expose sa infrared pulses. Batay dito, dapat maging posible ang pagsukat ng lakas ng mababang ngunit eksaktong lokalisadong field gamit ang nuclear magnetic resonance spectroscopy.

Bukod sa pagkuha ng kaalaman mula sa maagang panahon ng laser spectroscopy, ginamit din ng koponan ang modernong electron structure theory sa mga supercomputer upang kalkulahin kung paano kumikilos ang macrocyclic phthalocyanine molecules kapag na-expose sa liwanag sa pamamagitan ng circularly polarized infrared light. 

Natuklasan ng koponan na ang circularly polarized light waves ay nagpapasigla ng dalawang molecular vibrations nang sabay sa magkatapat na anggulo. Inihalintulad ito kay Hauser sa rumba technique, ipinaliwanag niya:

“Ang tamang kombinasyon ng forwards-backwards at left-right ay lumilikha ng isang maliit, saradong loop. At ang paikot na paggalaw ng bawat apektadong atomic nucleus ay talagang lumilikha ng magnetic field, ngunit napaka-lokal lamang, na may sukat sa hanay ng ilang nanometer.”

Ito ay lahat teoretikal lamang, gayunpaman. Ang koponan ay magtatrabaho ngayon upang patunayan na ang mga molecular magnetic field ay maaaring malikha sa isang kontroladong paraan sa eksperimento upang tunay na magamit.

Para sa eksperimento, kailangan nilang tukuyin ang isang substrate na minimal ang pakikipag-ugnayan sa mga target na proseso dahil ang mga darating na aplikasyon ay nangangailangan ng pagposisyon ng phthalocyanine molecule sa isang ibabaw. Ang paggawa nito, gayunpaman, ay nagbabago ng pisikal na kondisyon, na nag-iimpluwensya sa excitation na dulot ng liwanag at sa katangian ng magnetic field.

Kaya, bago ito tunay na masubukan sa mga eksperimento, kailangang unang kalkulahin ng koponan ang interplay sa pagitan ng deposited phthalocyanines, ang infrared light, at ang support material. Kung ang eksperimento ay magpapatunay sa mga inaasahang pagbabago sa magnetic shielding constants, ayon sa pag-aaral, maituturing ito bilang unang sukat ng magnetic field na nilikha sa pamamagitan ng vibration, na may intramolecular resolution.

I-click dito upang matuto tungkol sa Heron & Condor, ang pinakabagong mga pag-unlad sa quantum computing.

Mga Kumpanya na Nagpapalago ng Larangan ng Quantum Computing

May ilang kumpanya, tulad ng Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ), at D-Wave, na nagtatrabaho sa pagpapalago ng quantum computing. Ang IBM ay isang kilalang pangalan na nakatutok sa quantum computing sa loob ng maraming taon. Kamakailan lamang, ito nakipagtulungan kasama ang Japan’s National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) upang matulungan ang huli na gumawa ng isang quantum computer na naglalaman ng 10,000 qubit bago matapos ang dekadang ito. Kaya, sa gitna ng lahat ng pag-unlad na ito, tingnan natin nang mas malalim ang ilang iba pang mahahalagang pangalan sa sektor:

#1. Google 

Ang higanteng teknolohiya ay naglalaan ng malaking pagsisikap sa pagbuo ng mga quantum computer sa nakaraang maraming taon. Noong 2019, ipinakita ng Google sa unang pagkakataon na ang mga quantum computer ay maaaring magpatakbo ng isang algorithm na imposibleng harapin ng isang karaniwang supercomputer.

Noong nakaraang taon, ipinakilala ang Sycamore quantum processor ng Google na may 70 qubit, isang paglukso mula sa naunang bersyon na may 53 qubit. Ginagawa nitong humigit-kumulang 241 milyong beses na mas mabilis at mas matatag kaysa sa nakaraang modelo. Ang bagong quantum computer ng Google, sa kabilang banda, ay nagsasagawa ng detalyadong simulation ng pag-uugali ng mga magnet at makakatulong sa atin na mas malalim na maunawaan ang magnetismo.

Sa usapin ng quantum computing, gumagamit ang Google ng full stack approach, na sumasaklaw sa seamless integration ng hardware at software components. Kasalukuyang nagpapatakbo ang kumpanya ng 3-taong, $5M global competition na tinatawag na XPRIZE Quantum Applications upang itaguyod ang larangan ng quantum algorithms.

Sa market cap na $2.2 trilyon, ang mga shares ng Google ay nagte-trade sa $177.08, tumaas ng 26.88% YTD. Mayroon itong EPS (TTM) na 6.52, P/E (TTM) na 27.18, at dividend yield na 0.45%. Para sa Q1 2024, nag-ulat ang kumpanya ng kita na $80.5 bilyon, tumaas ng 15% YoY, habang ang operating margin nito ay lumawak sa 32%.

#2. Dell 

Ang kumpanyang ito sa teknolohiya ay nagsimulang gumawa rin ng ilang konkretong hakbang sa quantum computing. Kamakailan, ipinakilala ng Dell ang isang hybrid classical/quantum platform na binuo kasama ang IonQ. Inanunsyo rin nito ang pakikipagtulungan sa Aramco upang tuklasin ang mga pag-unlad sa quantum computing, AI, at edge computing. Sama-sama, layunin ng Aramco at Dell na harapin ang mga kumplikadong hamon sa mga larangan ng energy optimization, weather modeling, materials science, at predictive maintenance sa pamamagitan ng quantum computing.

Ayon kay Catherine Doyle, Managing Director ng Dell Technologies (DELL ) Ireland, ang quantum computing ay makakatulong din sa mga pag-unlad ng AI habang ito ay “nagiging magkakaugnay sa malapit na hinaharap.”

Sa market cap na $100.74 bilyon, ang mga shares ng Dell ay kasalukuyang nagte-trade sa $144.50, tumaas ng 85.66% YTD. Mayroon itong EPS (TTM) na 4.36, P/E (TTM) na 32.55, at dividend yield na 1.25%. Para sa Q1 2024, nag-ulat ang kumpanya ng $22.2 bilyon na kita at $60 milyon na net income.

Konklusyon

Ang quantum computing ay naging lumalaking larangan ng interes para sa mga mananaliksik, organisasyon, at pamahalaan. Dahil sa kakayahan nitong mag-alok ng mabilis na bilis, pinahusay na seguridad, mas mataas na kahusayan, tumpak na simulation, at pinabuting pagsusuri, makatuwiran na mayroong pagtaas ng pokus kasama ang patuloy na pananaliksik at pamumuhunan, na maaaring sa wakas ay makita ang quantum computing na nagiging realidad at natatagpuan ang aplikasyon nito sa iba’t ibang sektor.

I-click dito upang matuto tungkol sa kasalukuyang kalagayan ng quantum computing.