Pag-unawa sa Qubits – Mga Pagsulong sa Teleportasyon at Kontroladong Pakikipag-ugnayan

Maraming nangyayari sa mundo ng quantum computing. Ang higanteng chip na Nvidia (NVDA ) ay naglunsad ng open-source na platform na CUDA-Q upang pabilisin ang mga pagsisikap sa quantum computing, habang ang China ay lumikha ng pinakamalaking quantum computing chip nito. Mayroon ding mga siyentipiko sa University of Manchester na nakabuo ng ultra-pure silicon na nagbubukas ng daan para sa mga susunod na henerasyon ng mga computer.

Ang lahat ng kasabikan at pag-unlad sa paligid ng mga quantum computer ay may katwiran, dahil ang teknolohiyang ito ay may napakalaking potensyal sa iba’t ibang larangan, kabilang ang cryptography, pagtuklas ng gamot, paglutas ng komplikadong mga problema sa optimization, pagpapahusay ng mga algorithm ng machine learning, at marami pang iba.

Maaaring makamit ng mga quantum computer ang lahat ng ito sa pamamagitan ng pagsasamantala sa quantum theory, na tumutukoy sa pag-uugali at kalikasan ng materya at enerhiya sa antas ng atomiko at mas maliit pang subatomiko. Ang quantum computing ay gumagamit ng mga subatomikong particle tulad ng photon at electronics. Ang mga qubit (quantum bits) ay nagpapahintulot sa mga particle na umiral sa maraming estado nang sabay-sabay at kinokontrol ng mga control device.

Upang makamit ang eksponensyal na mas mabilis na bilis kaysa sa tradisyunal na computer habang kumukonsumo ng mas kaunting enerhiya, gumagamit ang mga quantum computer ng superposition at entanglement.

Ang superposition ay kinabibilangan ng pagdaragdag ng dalawa o higit pang quantum state upang lumikha ng isa pang wastong quantum state. Ang superposition ng mga qubit ay nagpapahintulot sa mga quantum computer na magsagawa ng milyong-milyong operasyon nang sabay-sabay.

Ang entanglement ay nangyayari kapag ang dalawang sistema ay nag-uugnay kaya ang pagkakakilala sa estado ng isa ay nagbibigay ng agarang kaalaman tungkol sa isa pa. Ito ay nagpapahintulot sa mga quantum computer na lutasin ang mga komplikadong problema nang mabilis.

Ang problema dito ay decoherence, na kung saan nawawala ang quantum state ng isang qubit dahil sa mga salik tulad ng radiation, pagyanig, o pagbabago ng temperatura. Ito ay nagdudulot ng mga error sa pag-compute. Upang protektahan ang mga Qubit mula sa interference, inilalagay ang mga ito sa mga vacuum chamber, insulation, at supercooled refrigerator.

Tulad ng nakita natin, ang mga qubit ay may kritikal na papel sa paggawa ng quantum computing, ngunit hindi pa lahat ay nalalaman tungkol sa kanila. Gayunpaman, dalawang kamakailang independiyenteng eksperimento ang nagpalawak ng ating pag-unawa sa mga qubit, na nagmamarka ng mahalagang hakbang patungo sa pagbuo ng isang functional na quantum computer.

Naabot ang Quantum Teleportation

Ang bagong pananaliksik ay matagumpay na nakamit ang quantum teleportation sa kabila ng lahat ng ingay na karaniwang nakakaabala sa paglipat ng quantum state. Sa teleportation, ang isang qubit ay inilipat mula sa isang lokasyon patungo sa iba pa nang hindi ipinapadala ang mismong particle.

Sa teorya, ang paglipat ng quantum state ay maaaring gawin nang walang problema, ngunit sa totoong mundo, ang mga pag-aabala at ingay ay nagpapababa ng kalidad ng quantum teleportation. Kaya, natuklasan ng mga mananaliksik sa pinakabagong pag-aaral na ang pagkakamit ng perpektong quantum teleportation sa kabila ng ingay ay isang malaking tagumpay.

Inilathala sa journal na Science Advances, tinalakay ng pag-aaral kung paano ang entanglement at decoherence ay mga kontra-puwersa sa maraming quantum protocol at teknolohiya.

Ayon sa pananaliksik, ang quantum entanglement na nangyayari sa mga korelasyon na sumasaklaw sa arbitrarily mahabang distansya ay napakahalaga para sa mga pundasyon ng quantum mechanics. Ito ay may maraming aplikasyon sa pagproseso ng impormasyon at komunikasyon. Gayunpaman, ang mga interaksyon sa pagitan ng isang quantum system at ng kapaligiran nito ay hindi maiiwasan, at ang decoherence ay maaaring lubos na magpababa ng pagganap ng mga aplikasyon na ito.

Bagaman maraming magagarang decoherence suppression protocol na kamakailan ay gumagamit ng decoherence-free subspaces, dynamical decoupling, quantum error-correcting codes, delayed coherent quantum feedback, at reservoir engineering gamit ang auxiliary subsystems, ang pag-iwas sa decoherence ay lubos na mapanghamon sa praktika.

Dahil dito, nagmungkahi ang pag-aaral ng isang epektibong protocol para sa quantum teleportation sa ganap na decoherence.

Ang pag-aaral na isinagawa ng mga mananaliksik mula sa University of Science and Technology of China, Hefei, at University of Turku, Finland, ay gumamit ng multipartite hybrid entanglement sa pagitan ng mga auxiliary qubit at ng kanilang mga lokal na kapaligiran sa konteksto ng open‑quantum system, na nagbigay-daan upang makamit ang mataas na katumpakan.

Ayon sa mga mananaliksik, ang linear optics ay isang partikular na matibay na platform para sa pagsasagawa ng iba’t ibang quantum information protocol at pag-aaral ng mga problema na may decoherence.

Ang gawain sa pag-aaral na ito, ayon kay Jyrki Piilo, isang Propesor mula sa University of Turku, ay gumagamit ng konsepto ng distributed entanglement. Ang pamamahagi ng entanglement na ito ay lumalampas sa mga ginamit na qubit at ginagawa bago pa man patakbuhin ang protocol. Ibig sabihin nito ay “pag-exploit ng hybrid entanglement sa pagitan ng iba’t ibang pisikal na degree of freedom,” ayon kay Piilo.

Tradisyonal na ginagamit ang photon polarization upang i-entangle ang mga qubit sa teleportation. Gayunpaman, ang bagong pamamaraan ay sinasamantala ang hybrid entanglement sa pagitan ng photon polarization at frequency.

Nagdadala ito ng malaking pagbabago sa kung paano nakakaapekto ang ingay sa protocol. Ang pagtuklas, sa katunayan, ay “binabaliktad ang papel ng ingay mula sa pagiging nakasasama tungo sa pagiging kapaki-pakinabang sa teleportation,” ayon kay Piilo.

Tradisyonal na hindi gumagana ang teleportation protocol kapag may ingay hindi lamang sa panahon ng qubit entanglement kundi pati na rin kapag may hybrid entanglement mula pa sa simula nang walang anumang ingay. Sa kabaligtaran, kapag may hybrid entanglement at pagkatapos ay nagdagdag ng ingay, parehong ang teleportation at ang paglipat ng quantum state ay halos perpekto.

Sa ganitong paraan, ang pinakabagong pagtuklas ay nagbibigay-daan sa halos perpektong teleportation sa kabila ng ingay na kaakibat ng paggamit ng mga photon.

“Habang kami ay nagsagawa ng maraming eksperimento sa iba’t ibang aspeto ng quantum physics gamit ang mga photon sa aming laboratoryo, napaka kapanapanabik at kasiya-siya na makita na ang napakahirap na teleportation experiment na ito ay matagumpay na natapos.”

Binanggit ng pag-aaral na bukod sa pakikipaglaban sa decoherence, ang hybrid entanglement ay nakatulong din sa kanila na magdala ng isa pang antas ng seguridad. Ang pag-aaral ay nagsabi:

“Maaari itong maging isang kawili-wiling linya ng pananaliksik sa hinaharap upang siyasatin kung gaano kalalim maaaring itago ang impormasyong na-teleport.”

Ito ay simula pa lamang, na may pangunahing kahalagahan ang pag-aaral sa pagbubukas ng mga bagong landas para sa hinaharap na trabaho sa quantum protocols sa pamamagitan ng pagkakaroon nito bilang batayang pananaliksik. Isang paraan kung paano maaaring ilapat ang teknik ay sa paglipat ng estado sa labas ng quantum teleportation at lampas sa decoherence‑free subspaces.

Binubuksan din ng pananaliksik ang posibilidad na makita kung ang decoherence ay maaaring baliktarin sa iba pang pisikal na platform, kabilang ang iba’t ibang pinagmumulan ng ingay.

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

Pagbuo ng Two Qubit Gate sa Isang Tradisyonal na Silicon Transistor

Ang ibang pag-aaral, na isinagawa ng mga mananaliksik mula sa pinakamatandang unibersidad sa Switzerland, ang University of Basel, sa pakikipagtulungan sa mga taga The National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, ay nagkaroon ng breakthrough sa pamamagitan ng pagkakaroon ng kontroladong interaksyon sa pagitan ng dalawang hole spin qubit sa isang tradisyonal na silicon transistor.

Inilathala sa Nature, ang pag-aaral, na tumanggap ng open-access funding mula sa University of Basel, ay nagbanggit na ang semiconductor spin qubits ay may potensyal na gamitin ang teknolohiyang transistor ng industriya upang makagawa ng malakihang quantum computers.

Para sa isang quantum computer na magsagawa ng mga kalkulasyon, kailangan nito ng “quantum gates,” na mga operasyon na nagmamanipula sa mga qubit at nag-uugnay sa isa’t isa. Ang mga mananaliksik sa pinakabagong pag-aaral ay nakapag‑couple hindi lamang ng dalawang qubit kundi nakapag‑gawa rin ng kontroladong pag‑flip ng isa sa kanilang spin, na nakadepende sa spin state ng isa pa. Ang coupling ay nakadepende sa exchange interaction ng dalawang spin qubit.

“Ang mga hole spin ay nagpapahintulot sa atin na lumikha ng two‑qubit gates na parehong mabilis at mataas ang fidelity. Ang prinsipyong ito ngayon ay nagbibigay-daan din upang i‑couple ang mas maraming pares ng qubit.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Ipinakita na ng mga mananaliksik ilang taon na ang nakalilipas na ang mga hole spin sa isang umiiral na electronic device ay maaaring i‑trap at gamitin bilang mga qubit. Ngayon, pinamunuan ni Kuhlmann ang pangkat ng mga pisiko mula Basel sa tagumpay ng pag‑realize ng isang interaksyon sa pagitan ng dalawang qubit na maaaring kontrolin.

Bagaman ang mga qubit na tinutukoy ay nakikinabang sa pagiging electrically controllable at pagkakaroon ng sweet spots upang alisin ang charge at ingay, ang pagpapakita ng two‑qubit interaction ay naging hamon.

Isang nawawalang salik, ayon sa pag-aaral, ay ang pag‑unawa sa exchange coupling sa panahon ng malakas na spin‑orbit interaction. Upang tugunan ito, sinuri ng mga siyentipiko ang dalawang hole‑spin qubit sa silicon “FinFETs” o fin field‑effect transistor. Ang spin‑orbit coupling ay nangangahulugang ang spin state ng isang hole ay naaapektuhan ng paggalaw nito sa espasyo.

Kaya, ang mga semiconductor quantum dot (QD) spin qubit ay itinuturing na pinaka‑angkop para sa mga hinaharap na implementasyon ng malakihang quantum circuits. Gayunpaman, kahit ang pinaka‑advanced na spin‑based quantum processor ay kasalukuyang nagpapahintulot ng universal control ng anim na electron spin qubit sa silicon (Si). Ito ay sinusundan ng isang apat‑qubit demonstration gamit ang mga hole sa germanium.

Para sa pag-aaral, gumamit ang mga mananaliksik ng qubit na gumagamit ng spin ng isang electron o isang hole. Parehong ang mga electron at hole ay may spin at maaaring maging up o down state.

Ang mga hole spin, kumpara sa electron spin, ay maaaring kontrolin nang ganap na electrically nang hindi kailangan ng orbital degeneracy o karagdagang komponent tulad ng on‑chip micromagnets, na nagpapataas ng komplikasyon. Ito ay dahil sa kanilang intrinsic na spin‑orbit interaction (SOI). Ang mga hole ay karagdagang nakikinabang mula sa nabawasang hyperfine interaction at kawalan ng valley.

Sa ganitong paraan, ipinapakita ng pag-aaral ang kakayahang electrically kontrolin ang exchange at magsagawa ng conditional spin‑flip sa 24 ns. Ang exchange Hamiltonian ay wala nang Heisenberg form at maaaring i‑engineer upang paganahin ang two‑qubit controlled rotation gates nang hindi isinasakripisyo ang bilis para sa katumpakan o kabaligtaran. Ayon sa pananaliksik:

“Ang ideal na pag‑ugali na ito ay naaangkop sa malawak na hanay ng mga orientasyon ng magnetic field, na ginagawang matibay ang konsepto sa harap ng mga pag‑iba‑iba mula sa qubit tungo sa qubit, na nagpapahiwatig na ito ay isang angkop na pamamaraan para sa pag‑realize ng malakihang quantum computer.”

Ipinapahiwatig ng pag-aaral ang potensyal na mag‑arrange ng milyun‑milyong hole spin qubit sa iisang chip lamang. Ang kanilang pamamaraan ay nagpapakita rin ng malaking posibilidad para sa pag‑unlad ng malakihang quantum computer.

Kinakailangan ang mga susunod na pagpapabuti sa paggawa ng device upang mabawasan ang variability. Kapag pinagsama sa matibay na controlled rotation (CROT) sweet spots, ang mga pag‑unlad na ito “gagawin ang two‑qubit gate operations na may anisotropic exchange na lubos na kaakit‑akit para sa malakihang qubit arrays.”

Ang mga pag‑usad sa pananaliksik, kung pagsasamahin sa mabilis na readout at operasyon na higit sa 1 K, ay maaaring mag‑pahintulot sa FinFET na magamit bilang isang universal quantum processor na naka‑arrange sa isang chip na ginagamit sa klasikong control electronics.

Mga Kumpanyang Kalahok sa Pag-unlad ng Quantum Computers

Ngayon, tingnan natin ang mga kumpanyang aktibong nagtatrabaho sa quantum computers:

#1. IBM

Ang IBM ay nangunguna sa pananaliksik sa quantum computing sa loob ng maraming taon at nag-develop ng IBM Q System One, ang unang circuit‑based commercial quantum computer. Nagbibigay ang kumpanya ng access sa kanilang mga quantum system sa pamamagitan ng IBM Quantum Experience platform.

Sa unang bahagi ng buwang ito, inilunsad ng IBM ang kanilang 1,000+ qubit quantum processor na Condor at ang utility‑scale processor na IBM Quantum Heron na may 133 qubits. Inanunsyo rin nila ang paglulunsad ng isang modular quantum computer, ang Quantum System Two. Samantala, sa pamamagitan ng software stack na Qiskit, layunin ng IBM na gawing malawak na accessible ang pag‑develop ng quantum computing.

Sa taong ito, inanunsyo ng Japanese national research laboratory na RIKEN na ilalagay nila ang quantum processor at quantum computer architecture ng IBM para sa integrasyon sa supercomputer na Fugaku.

Kamakailang pananaliksik ng kumpanya sa larangang ito ay kinabibilangan ng:

• Mataas na threshold at mababang overhead na fault‑tolerant na quantum memory.
• Pag‑encode ng magic state na may lampas sa break‑even na fidelity.
• Pag‑simulate ng malalaking quantum spin chain sa cloud‑based na superconducting quantum computers.

Sa kasalukuyan, ang mga stock ng kumpanya ay nagte‑trade sa $167.36, tumaas ng 2.33% YTD, habang ang market cap nito ay $153.73 bilyon. Iniulat ng IBM ang revenue (TTM) na $62.07 bilyon, EPS (TTM) na 9.19, at P/E (TTM) na 18.22. Ang dividend yield ay 3.99%.

Sa kamakailang Q1 2024 financial reporting, nakita ng IBM ang pagtaas ng kanilang revenue ng 1.5% YoY sa quarter na umabot sa $14.5 bilyon at free cash flow na $1.9 bilyon. Binanggit ng kumpanya na ang kanilang “solid revenue and free cash flow growth” ay sumasalamin sa lakas ng kanilang cloud at AI strategy.

#2. Google 

Sa mundo ng quantum computing, ang Google ay patuloy na umuunlad sa pamamagitan ng kanilang Quantum AI lab, na nagtatrabaho sa parehong hardware at software. Ilang taon na ang nakalilipas, inilunsad ng dibisyon ang Sycamore, isang 53‑qubit quantum processor. Sa kasalukuyan, nakatuon ang hardware ng higanteng tech company sa superconducting qubits habang ang kanilang advanced software stack ay sinusuri ang kapangyarihan ng quantum computing.

Ilang buwan na ang nakalipas, inilunsad ng Google ang isang multi‑year, global competition upang hanapin ang mga real‑world use case para sa quantum computing na may premyong $5 million, na hahatiin sa mga finalist. Binanggit ng Google noong Marso:

“Habang maraming dahilan upang maging optimistiko tungkol sa potensyal ng quantum computing, medyo nananatili pa rin kaming nasa dilim tungkol sa buong saklaw kung paano, kailan, at para sa anong mga real‑world problem ang teknolohiyang ito ay magiging pinaka‑transformative.”

Ang kamakailang pananaliksik ng kumpanya sa larangang ito ay kinabibilangan ng pagsugpo ng quantum errors sa pamamagitan ng scaling ng surface code logical qubit, phase transition sa random circuit sampling, at measurement‑induced entanglement at teleportation sa isang noisy quantum processor.

Sa kasalukuyan, ang mga stock ng kumpanya ay nagte‑trade sa $107.48, tumaas ng 21.94% YTD, habang ang market cap nito ay $2.12 trilyon. Iniulat ng Google ang revenue (TTM) na $218.14 bilyon habang may EPS (TTM) na 6.52 at P/E (TTM) na 26/13. Nagbabayad ito ng dividend yield na 0.47%.

Para sa kanilang 1Q24 earnings, iniulat ng kumpanya ang 13% na pagtaas ng revenue sa $86.3 bilyon, net income na $20.28 bilyon, at ang kauna‑unahang $20 per share dividend. Sa tagsibol ng 2024, ang market cap nito ay umabot sa bagong milestone na $2 trilyon, na ginagawa itong ika‑apat na pinakamahalagang pampublikong kumpanya sa mundo.

Konklusyon

Mayroon nang karera upang makabuo ng isang functional na quantum computer, kung saan ang mga mananaliksik ay nakatuon sa pag‑unawa sa mga qubit at pagtatrabaho sa iba’t ibang teknolohiya ng qubit. Ang mga qubit ay ang batayan ng quantum computer dahil sila ang humahawak sa lahat ng pag‑proseso, pag‑lipat, at pag‑imbak ng data. Kaya, lahat ng pananaliksik ay nakatuon sa mga qubit, kabilang ang pinakabagong dalawa na tinalakay dito, na naglalayong tumulong sa pagbuo ng isang praktikal na quantum computer.

I-click dito para sa listahan ng limang pinakamahusay na kumpanya sa quantum computing.