Pag-unawa sa Qubits – Teleportation at Controlled Interaction Breakthroughs

Maraming nangyayari sa mundo ng quantum computing. Ang chip giant na Nvidia ay naglunsad ng isang open-source CUDA-Q platform upang mapabilis ang mga pagsisikap sa quantum computing, habang ang Tsina ay lumikha ng pinakamalaking quantum computing chip. Pagkatapos, mayroong mga siyentipiko sa University of Manchester na nakagawa ng ultra-pure silicon na nagbubukas ng daan para sa susunod na henerasyon ng mga computer.

Ang lahat ng kasiglahan at pag-unlad sa paligid ng quantum computers ay may saysay, dahil ang teknolohiya ay may malaking potensyal sa iba’t ibang larangan, kabilang ang cryptography, pagtuklas ng mga gamot, paglutas ng mga kompleks na problema sa optimisasyon, pagpapabuti ng mga algorithm ng machine learning, at marami pa.

Ang mga quantum computer ay makakamit ng lahat ng ito sa pamamagitan ng pagsasamantala ng quantum theory, na ang pag-uugali at kalikasan ng materya at enerhiya sa atomic at pa rin sa mas maliit na subatomic levels. Ang quantum computing ay gumagamit ng mga subatomic particles tulad ng photons at electronics. Ang Qubits (quantum bits) ay nagpapahintulot sa mga partikulang ito na umiiral sa maraming estado sa parehong oras at manipulahin ng mga device ng kontrol.

Upang makaiwas sa mga bilis na eksponensyal na mas mabilis kaysa sa iyong tradisyonal na computer habang kumakain ng mas kaunting enerhiya, ang mga quantum computer ay gumagamit ng superposition at entanglement.

Ang superposition ay kasangkot sa pagdaragdag ng dalawa o higit pang mga quantum states upang lumikha ng isang iba pang validong quantum state. Ang superposition ng qubits ay nagpapahintulot sa mga quantum computer na magproseso ng milyun-milyong operasyon sa parehong oras.

Ang entanglement ay nangyayari kapag ang dalawang sistema ay nakaugnay sa paraang kapag nalaman ang estado ng isa, agad na nalalaman ang estado ng isa pa. Ito ay nagpapahintulot sa mga quantum computer na malutas ang mga kompleks na problema sa isang mabilis na rate.

Ang problema dito ay ang decoherence, na ang pagkawala ng quantum state sa isang qubit dahil sa mga kadahilanan tulad ng radiation, vibration, o pagbabago ng temperatura. Ito ay sanhi ng mga error sa pagkumputa. Upang protektahan ang Qubits mula sa interference, sila ay inilalagay sa vacuum chambers, insulation, at supercooled refrigerators.

Kahit na nakita natin, ang qubits ay may malaking papel sa paggawa ng quantum computing, ngunit hindi lahat ay alam tungkol sa kanila. Gayunpaman, dalawang kamakailang independiyenteng eksperimento ay pinalawak ang ating pag-unawa sa qubits, na nagtatakda ng isang mahalagang hakbang patungo sa pagbuo ng isang gumaganang quantum computer.

Quantum Teleportation Achieved

Ang isang bagong pag-aaral ay matagumpay na nakamit ang quantum teleportation sa kabila ng lahat ng ingay na karaniwang sumisira sa paglipat ng quantum state. Sa teleportation, isang qubit ay inililipat mula sa isang lokasyon patungo sa isa pa nang hindi isinisisil ang partikula mismo.

Sa teorya, ang paglipat ng quantum state ay maaaring gawin nang walang problema, ngunit sa tunay na mundo, ang mga disruption at ingay ay sumisira sa kalidad ng quantum teleportation. Kaya, ang mga mananaliksik sa pinakabagong pag-aaral ay nakatuklas na ang pagkamit ng perpektong quantum teleportation sa kabila ng ingay ay isang malaking tagumpay.

Naipublikado sa journal Science Advances, ang pag-aaral ay nagtatalakay kung paano ang entanglement at decoherence ay mga counterforces ng maraming quantum protocols at technologies.

Ayon sa pag-aaral, ang quantum entanglement na nangyayari sa mga korrelasyon na umaabot sa mahabang distansya ay napakamahalaga para sa mga pundasyon ng quantum mechanics. Ito ay may maraming aplikasyon sa pagpoproseso ng impormasyon at komunikasyon. Ngunit, ang mga interaksiyon sa pagitan ng isang quantum system at ng kapaligiran nito ay hindi maiiwasan, at ang decoherence ay maaaring masira nang malubha ang pagganap ng mga aplikasyong ito.

Bagaman mayroong maraming magandang mga protocol ng pag-iwas sa decoherence na may mga kamakailang gawain na nagpapalakas sa mga decoherence-free subspaces, dynamical decoupling, quantum error-correcting codes, delayed coherent quantum feedback, at reservoir engineering na may mga auxiliary subsystems, ang pag-iwas sa decoherence ay napakahirap sa praktika.

Kaya, ang pag-aaral ay nagmungkahi ng isang mabisang protocol para sa quantum teleportation sa absolute 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 qubits at ng kanilang mga lokal na kapaligiran sa loob ng open-quantum system context, na nagpahintulot sa kanila na makamit ng mataas na katumpakan.

Ayon sa mga mananaliksik, ang linear optics ay isang partikular na matibay na platform para sa paggawa ng iba’t ibang mga protocol ng quantum information at pag-aaral ng mga problema sa 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 distribusyon ng entanglement na ito ay hindi lamang sa mga qubits na ginamit kundi ay ginawa bago ang pag-opera ng protocol. Ito ay nangangahulugang “paggamit ng hybrid entanglement sa pagitan ng iba’t ibang pisikal na degree of freedom,” ayon kay Piilo.

Tradisyonal na, ang photon polarization ay ginamit upang maentangle ang mga qubits sa teleportation. Ngunit, ang bagong approach ay gumagamit ng hybrid entanglement sa pagitan ng photon polarization at frequency.

Ito ay nagdudulot ng isang malaking pagbabago sa kung paano ang ingay ay nakakaapekto sa protocol. Ang pagtuklas, sa katunayan, “nagbabaluktot ng papel ng ingay mula sa pagiging mapanganib tungo sa pagiging nakabubuti sa teleportation,” ayon kay Piilo.

Tradisyonal na, ang protocol ng teleportation ay hindi gumagana kapag may ingay sa pagitan ng qubit entanglement ngunit hindi rin kapag may hybrid entanglement na ginawa na sa simula nang walang ingay. Sa kabila nito, kapag may hybrid entanglement at pagkatapos ay may ingay, ang teleportation at quantum state transfer ay nangyayari tungkol sa perpekto.

Sa ganitong paraan, ang pinakabagong pagtuklas ay nagpapahintulot ng halos perpektong teleportation sa kabila ng ingay na nauugnay sa paggamit ng photons.

Tinatawag ito ng mga mananaliksik na “significant proof-of-principle experiment,” na may kasamang pahayag ni Dr. Zhao-Di Liu mula sa University of Science and Technology of China, Hefei:

“Habang marami kaming ginawang mga eksperimento sa iba’t ibang aspeto ng quantum physics sa mga photon sa ating laboratoryo, napakaka-excite at nakaka-inspira na makita ang napakahirap na eksperimentong ito ng teleportation ay matagumpay na naisakatuparan.”

Ang pag-aaral ay nakapagtalakay din na bukod sa paglaban sa decoherence, ang hybrid entanglement ay nakatulong din sa kanila na magdala ng isang karagdagang layer ng seguridad. Ang pag-aaral ay nagsabi:

“Magiging isang interesanteng linya ng pag-aaral sa hinaharap na tuklasin kung gaano kalalim ang itinatago ang impormasyong naiteleport.

Ito ay pagbabatayan lamang, na may fundamental na kahalagahan sa pagbubukas ng mga bagong landas para sa mga susunod na gawain sa mga quantum protocols sa pamamagitan ng paggamit ng pag-aaral na ito bilang isang base ng pananaliksik. Isang paraan kung saan ang teknika ay maaaring magamit ay sa state transfer sa labas ng quantum teleportation at sa ibang mga lugar.

Ang pananaliksik ay nagbubukas din ng posibilidad na makita kung kaya bang ma-reverse ang decoherence sa iba’t ibang mga pisikal na platform, kabilang ang iba’t ibang mga pinagmulan ng ingay.

Pindutin ito upang malaman ang kasalukuyang estado ng quantum computing.

Realizing a Two Qubit Gate in a Conventional Silicon Transistor

Ang iba pang pag-aaral, na ay isinagawa ng mga mananaliksik mula sa Switzerland’s oldest university, ang University of Basel, sa pagtutulungan ng mga mananaliksik mula sa The National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, ay nakamit ng isang pagtatapos sa pamamagitan ng pagkakamit ng isang kontrollable na interaksiyon sa pagitan ng dalawang hole spin qubits sa isang tradisyonal na silicon transistor.

Naipublikado sa Nature, ang pag-aaral, na nakatanggap ng open-access funding mula sa University of Basel, ay nagsabi na ang semiconductor spin qubits ay nag-aalok ng potensyal na gamitin ang industrial transistor technology upang lumikha ng mga malalaking quantum computers.

Upang magawa ng isang quantum computer na magproseso ng mga kalkulasyon, kailangan ito ng “quantum gates,” na mga operasyon na nagmamaniplula ng mga qubits at nag-uugnay sa kanila. Ang mga mananaliksik sa pinakabagong pag-aaral ay nakapagtagumpay na hindi lamang na-couple ang dalawang qubits kundi nakagawa din ng isang kontroladong flip ng isa sa kanilang mga spin, na depende sa estado ng spin ng isa pa. Ang coupling ay depende sa exchange interaction ng dalawang spin qubits.

“Hole spins allow us to create two-qubit gates that are both fast and high-fidelity. This principle now also makes it possible to couple a larger number of qubit pairs.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Ang mga mananaliksik ay naipakita na ilang taon na ang nakakalipas na ang mga hole spins sa isang umiiral na electronic device at maaaring mahuli at gamitin bilang qubits. Ngayon, pinamunuan ni Kuhlmann ang pangkat ng mga pisiko ng Basel upang magtagumpay sa pagkakamit ng isang interaksiyon sa pagitan ng dalawang qubits na maaring kontrolin.

Habang ang mga qubits na ito ay nakikinabang sa pagiging electrically controllable at may mga sweet spots upang ma-neutralisahin ang charge at noise, ang pagpapakita ng isang interaksiyon sa pagitan ng dalawang qubits ay napakahirap.

Isang nawawalang kadahilanan, ayon sa pag-aaral, ay ang pag-unawa sa exchange coupling sa loob ng isang malakas na spin-orbit interaction. Upang tugunan ito, ang mga siyentipiko ay nag-aral ng dalawang hole-spin qubits sa isang silicon “FinFETs” o fin field-effect transistor. Ang spin-orbit coupling ay nangangahulugang ang estado ng spin ng isang hole ay naaapektuhan ng paggalaw nito sa espasyo.

Kaya, ang mga semiconductor quantum dot (QD) spin qubits ay itinuturing na pinakasuitable para sa mga hinaharap na pagpapatupad ng mga malalaking quantum circuits. Ngunit, kahit na ang pinakamalakas na spin-based quantum processor ay nagpapahintulot lamang ng universal control ng anim na electron spin qubits sa silicon (Si). Ito ay sinundan ng isang demonstrasyon ng apat na qubits na may mga butas sa germanium.

Para sa pag-aaral, ang mga mananaliksik ay gumamit ng isang qubit na gumagamit ng spin ng isang electron o hole. Ang mga electron at hole ay may spin at umaaangkop sa estado ng up o down.

Ang mga hole spin, kumpara sa mga electron spin, ay maaaring kontrolin nang ganap na electrically nang walang pangangailangan ng orbital degeneracy o karagdagang mga komponente tulad ng on-chip micromagnets, na nagdaragdag ng komplikasyon sa equation. Ito ay dahil sa kanilang intrinsic spin-orbit interaction (SOI). Ang mga hole ay nakikinabang din sa reduced hyperfine interaction at ang pagkawala ng valley.

Kaya, ang pag-aaral ay nagpapakita ng kakayahan na kontrolin ang exchange at gumawa ng isang kondisyonal na spin-flip sa loob ng 24 ns. Ang exchange Hamiltonian ay hindi na may anyo ng Heisenberg at maaaring ma-engineer upang mag-enable ng mga two-qubit controlled rotation gates nang hindi nag-aalis ng bilis para sa katumpakan o vice versa. Ayon sa pananaliksik:

“Ang ideal na pag-uugali na ito ay umiiral sa isang malawak na hanay ng mga orientasyon ng magnetic field, na ginagawa itong isang matibay na approach para sa paggawa ng isang malalaking quantum computer.”

Ang pag-aaral na ito ay nagpapahiwatig ng potensyal para sa pag-aayos ng milyun-milyong hole spin qubits sa isang chip lamang. Ang approach nito ay nagpapakita rin ng malaking posibilidad para sa pagbuo ng isang malalaking quantum computer.

Ang mga pagbutihin sa paggawa ng device ay kinakailangan upang mabawasan ang variability. Kapag pinagsama ito sa mga robust controlled rotation (CROT) sweet spots, ang mga pagbutihin na ito “ay magiging napakainit na attractive para sa mga two-qubit gate operations na may anisotropic exchange.”

Ang mga pagbutihin sa pag-aaral, kung pinagsama sa mga mabilis na readout at operasyon sa itaas ng 1 K, ay maaaring magamit ang FinFET bilang isang universal quantum processor na inayos sa isang chip na ginagamit sa classical control electronics.

Kompanya na Kasangkot sa Pagbuo ng Quantum Computers

Ngayon, titingnan natin ang mga kompanya na aktibong nagtatrabaho sa quantum computers:

#1. IBM

Ang IBM ay nangunguna sa pananaliksik sa quantum computing sa loob ng maraming taon at nagbuo ng IBM Q System One, ang unang circuit-based commercial quantum computer. Ang kompanya ay nagbibigay ng access sa mga quantum system nito sa pamamagitan ng IBM Quantum Experience platform.

Noong nakaraang buwan, ang IBM ay naglunsad ng isang quantum processor na may 1,000+ qubits na tinatawag na Condor at ang utility-scale processor na IBM Quantum Heron na may 133 qubits. Ito ay nag-anunsyo rin ng paglunsad ng isang modular quantum computer, Quantum System Two. Samantala, sa pamamagitan ng software stack Qiskit, ang IBM ay naglalayong gawing mas accessible ang pagbuo ng quantum computing.

Ngayong taon, ang Japanese national research laboratory RIKEN ay nag-anunsyo na mag-deploy ng quantum processor at quantum computer architecture ng IBM para sa integrasyon sa supercomputer Fugaku.

Ang kompanya ng pananaliksik sa larangan ay kasama ang:

• High-threshold at low-overhead fault-tolerant quantum memory.
• Encoding a magic state with beyond-break-even fidelity.
• Simulating large-size quantum spin chains on cloud-based superconducting quantum computers.

Sa oras ng pagsulat, ang mga stock ng kompanya ay nagtatrading sa $167.36, tumaas ng 2.33% YTD, habang ang market cap nito ay $153.73 bln. Ang IBM ay nag-ulat ng revenue (TTM) na $62.07bln, EPS (TTM) na 9.19, at P/E (TTM) na 18.22. Ang dividend yield ay 3.99%.

Sa kanilang pinakabagong ulat sa kita sa Q1 2024, ang IBM ay nakakita ng pagtaas ng 1.5% YoY sa revenue sa loob ng kwarta na $14.5 bln at free cash flow na $1.9 billion. Ang kompanya ay nagsabi na ang “solid revenue at free cash flow growth” ay sumasalamin sa lakas ng kanilang cloud at AI strategy.

#2. Google

Sa mundo ng quantum computing, ang Google ay gumagawa ng mga hakbang sa pamamagitan ng Quantum AI lab, na gumagawa sa parehong hardware at software. Ilang taon na ang nakakalipas, ang dibisyon ay naglunsad ng Sycamore, isang 53-qubit quantum processor. Ngayon, ang hardware ng tech giant ay nakatuon sa superconducting qubits habang ang advanced software stack nito ay nag-eeksplora ng kapangyarihan ng quantum computing.

Ilang buwan na ang nakakalipas, ang Google ay naglunsad ng isang multi-year, global competition upang hanapin ang mga tunay na kaso ng paggamit ng quantum computing na may premyo na $5 million, na maibabahagi sa mga finalist. Ang Google ay nagsabi noong Marso:

“Habang maraming dahilan upang maging optimista tungkol sa potensyal ng quantum computing, kami ay pa rin sa kadiliman tungkol sa buong lawak ng kung paano, kailan, at para sa mga tunay na problema ang teknolohiyang ito ay magpapatunay ng pinakamalaking transformasyon.”

Ang kompanya ng pananaliksik sa larangan ay kasama ang:

Sa oras ng pagsulat, ang mga stock ng kompanya ay nagtatrading sa $107.48, tumaas ng 21.94% YTD, habang ang market cap nito ay $2.12 trillion. Ang Google ay nag-ulat ng revenue (TTM) na $218.14bln habang may EPS (TTM) na 6.52 at P/E (TTM) na 26/13. Ito ay nagbabayad ng dividend yield na 0.47%.

Para sa kanilang 1Q24 earnings, ang kompanya ay nag-ulat ng 13% na pagtaas sa revenue na $86.3 bln, net income na $20.28 bln, at ang unang $20 per share dividend. Noong tagsibol ng 2024, ang market cap nito ay umabot sa isang bagong milestone na $2 trillion, na ginagawa itong ikaapat na pinakamalaking kompanya sa mundo.

Kongklusyon

May isang karera upang magbuo ng isang gumaganang quantum computer, kung saan ang mga mananaliksik ay nakatuon sa pag-unawa sa qubits at pagtatrabaho sa iba’t ibang mga teknolohiya ng qubits. Ang qubits ay ang basehan ng quantum computer dahil sila ang nagtatrabaho ng lahat ng pagpoproseso, paglipat, at pag-iimbak ng data. Kaya, ang lahat ng pananaliksik ay nangyayari sa paligid ng qubits, kabilang ang dalawang pinakabagong ito, na naglalayong tulungan sa pagbuo ng isang praktikal na quantum computer.

Pindutin ito upang malaman ang listahan ng limang pinakamahusay na kompanya ng quantum computing.