ควอนตัมคอมพิวเตอร์ความก้าวหน้าไม่ได้เป็นแค่ทฤษฎีอีกต่อไป
ควอนตัมคอมพิวเตอร์คือระบบการประมวลผลข้อมูลควอนตัมที่ใช้คิวบิตและกฎของกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อทำงานบางประเภทได้เร็วเกินกว่าคอมพิวเตอร์ดั้งเดิมอย่างมหาศาล โดยเฉพาะปัญหาเชิงผสม ผูกพันอนุภาค และการจำลองระบบฟิสิกส์ที่ซับซ้อน ซึ่งต้องอาศัยโครงสร้างควอนตัมใหม่และเทคโนโลยีควอนตัมประยุกต์เพื่อควบคุมสถานะที่เปราะบางให้ทำงานได้อย่างเสถียรในระดับวิศวกรรม
วันนี้ภาพของควอนตัมคอมพิวเตอร์ความก้าวหน้ากำลังเปลี่ยนจากคำสัญญาเชิงทฤษฎีไปสู่หมุดหมายด้านวิศวกรรมที่จับต้องได้อย่างชัดเจน การแสดงให้เห็นว่าระบบอนุภาคแปลกใหม่อย่าง non-Abelian anyons สามารถทำชุดเกตได้ครบสำหรับการคำนวณควอนตัมสากลบนโปรเซสเซอร์ H2 ของ Quantinuum ที่ใช้คิวบิตพัวพัน 54 ตัว การจำลองกระบวนการกำเนิดอนุภาค-ปฏิอนุภาคในคอมพิวเตอร์กับดักไอออน 13 ไอออน และการควบคุมวอร์เทกซ์ควอนตัมด้วยขั้นผิวระดับอะตอมที่ทำให้เคลื่อนที่ง่ายขึ้น 1,000 เท่า ชี้ชัดว่าจุดสนทนากำลังขยับจากคำว่าเป็นไปได้หรือไม่ ไปสู่คำถามว่าเราจะต่อยอดอย่างไรเร็วกว่ากัน
non-Abelian anyons และโครงสร้างควอนตัมใหม่ที่พาเราสู่คอมพิวเตอร์สากล
หัวใจของการคำนวณควอนตัมสากลคือการมีชุดเกตที่ทำให้สามารถประมวลผลข้อมูลควอนตัมทุกรูปแบบได้อย่างยืดหยุ่น การทดลองร่วมของทีมจากสถาบันวิศวกรรมระดับโมเลกุลหลายแห่งและ Quantinuum แสดงให้เห็นว่าการใช้ non-Abelian anyons เป็นรหัสทอพอโลยีเปิดเส้นทางใหม่นี้ได้จริง โดยพวกเขาสร้างและทดสอบชุดปฏิบัติการเต็มรูปแบบบนโพรเซสเซอร์กับดักไอออน H2 ที่ผูกคิวบิตเข้าด้วยกัน 54 ตัวเพื่อสร้าง anyons ที่เกี่ยวข้อง นี่คือหลักฐานเชิงทดลองครั้งแรกว่ากลยุทธ์แบบนี้สามารถรองรับปฏิบัติการหลากหลายพอสำหรับการคำนวณควอนตัมสากลได้
สิ่งที่พลิกเกมคือโครงสร้างควอนตัมใหม่ในรูปของ topological qutrits ซึ่งเข้ารหัสข้อมูลสามระดับในคู่ anyons แทนที่จะมีแค่สองระดับเหมือนคิวบิตปกติ การถักร้อยเส้นทางของ anyons และการหลอมรวมกันให้การประมวลผลข้อมูลควอนตัมในรูปแบบที่ต่างจากการยิงเกตลงบนคิวบิตตรงๆ โดยทีมวิจัยผสานการถักและการหลอมเพื่อสร้างเกตพันพัวและการวัดสำคัญสามชนิดในรหัสเดียว ประโยคที่ควรถูกจดจำคือ การทดลองนี้พิสูจน์ว่ารหัส non-Abelian สามารถให้ชุดเกตสากลได้โดยไม่ต้องพึ่งขั้นตอน magic state distillation ที่สิ้นเปลือง
จากการแก้ข้อผิดพลาดสู่ฟิสิกส์เอกภพยุคแรกด้วยควอนตัมซิมูเลเตอร์
ข้อจำกัดใหญ่ของการประมวลผลข้อมูลควอนตัมคือความผิดพลาดที่เกิดง่ายและแพร่กระจายเร็ว วิธีมาตรฐานต้องแจกแจงข้อมูลหนึ่งบิตเชิงตรรกะไปบนคิวบิตทางกายภาพจำนวนมากพร้อมกระบวนการกลั่น magic states ที่กินทรัพยากรคิวบิตส่วนใหญ่ของระบบ การใช้ non-Abelian anyons เสนอทางลัดที่กล้าหาญ เพราะการป้องกันข้อผิดพลาดฝังอยู่ในโครงสร้างทอพอโลยีของรหัสเอง และทีมวิจัยยังแสดงให้เห็นว่า anyons แบบนี้สามารถสร้าง magic state ได้โดยตรงผ่านปฏิบัติการทอพอโลยี ช่วยเลี่ยงขั้นตอนกลั่นที่แพงในระบบส่วนใหญ่ หากผสานกับการแก้ข้อผิดพลาดเชิงรุกตามแผนถัดไป รหัสประเภทนี้อาจกลายเป็นฐานที่ใช้งานได้จริงสำหรับควอนตัมคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ที่ทนทาน
อีกด้านหนึ่ง กลุ่มนักวิจัยที่ศูนย์ควอนตัมแห่งหนึ่งนำทีมใช้ควอนตัมซิมูเลเตอร์กับดักไอออนเพื่อสังเกตพลวัต string breaking ที่เชื่อมโยงกับการเกิดคู่อนุภาค-ปฏิอนุภาค ซึ่งเป็นหนึ่งในการสาธิตยุคต้นๆ ที่โดดเด่นในฟิสิกส์ควอนตัม โมเดลถูกเข้ารหัสลงในโซ่ไอออน 13 ตัว และผลลัพธ์ถูกตีความว่าเป็นอีกก้าวหนึ่งสู่การจำลองควอนตัมที่ซับซ้อนเกินกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ดั้งเดิมที่ทรงพลังที่สุดจะรองรับได้ งานวิจัยนี้ยังยืนอยู่เคียงข้างงานอื่นที่เพิ่งบรรลุหมุดหมายคล้ายกันด้วยฮาร์ดแวร์ควอนตัมคนละแบบ แนวโน้มนี้บอกเราว่าเทคโนโลยีควอนตัมประยุกต์กำลังกลายเป็นเครื่องมือสำหรับสำรวจคำถามลึกเกี่ยวกับฟิสิกส์เอกภพยุคแรก ไม่ใช่แค่ของเล่นเชิงทฤษฎีในกระดานดำอีกต่อไป
ควบคุมวอร์เทกซ์ควอนตัมละเอียดขึ้นพันเท่า วิศวกรรมควอนตัมเริ่มจับต้องได้
ในโลกของซูเปอร์คอนดักเตอร์ วอร์เทกซ์ควอนตัมคือจุดศูนย์กลางของฟลักซ์แม่เหล็กที่ไหลเป็นควอนตาเมื่อสนามแม่เหล็กทะลุเข้าในวัสดุ เมื่อวอร์เทกซ์เคลื่อนที่จะเกิดการสูญเสียพลังงานและความต้านทานไฟฟ้า การควบคุมการเคลื่อนที่ของมันจึงเป็นโจทย์หลักของวิศวกรรมซูเปอร์คอนดักเตอร์ มาตรฐานเดิมพึ่งการสร้างตำแหน่งตรึงวอร์เทกซ์ แต่งานวิจัยล่าสุดชี้เส้นทางใหม่โดยใช้ขั้นผิวระดับหนึ่งอะตอมเป็นรางนำวอร์เทกซ์บนซูเปอร์คอนดักเตอร์ชั้นอะตอม Si(111)-(√7×√3)-In ที่ได้จากการเคลือบผิวซิลิกอนด้วยชั้นบิลาเยอร์อินเดียม ผลลัพธ์คือวอร์เทกซ์เคลื่อนในทิศทางหนึ่งได้ง่ายขึ้นประมาณ 1,000 เท่าเมื่อเทียบกับทิศทางตรงข้าม
การออกแบบเรขาคณิตผิวให้มีขั้นสูงเพียง 0.31 นาโนเมตรแต่มีระยะห่างเฉลี่ยราว 89 นาโนเมตรซึ่งใกล้เคียงกับเส้นผ่านศูนย์กลางแกนของ Josephson vortex 80–100 นาโนเมตร ทำให้ขั้นเหล่านี้ตัดผ่านแกนวอร์เทกซ์ทั้งหมด เชื่อมชั้นซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่อยู่ใกล้เคียงคล้ายแนวจังก์ชัน Josephson การทดลองในสุญญากาศระดับอัลตร้าฮายเวคที่อุณหภูมิ 0.4–4.2 เคลวิน แสดงภาพคมชัดว่าเราขยับจากการยอมให้ข้อบกพร่องสุ่มเป็นตัวกำหนด ไปสู่การออกแบบพื้นผิวเพื่อกำกับวอร์เทกซ์อย่างมีทิศทาง พื้นผิวที่ควบคุมได้เช่นนี้อาจเปิดทางสู่การออกแบบอุปกรณ์ซูเปอร์คอนดักเตอร์ เซนเซอร์ และส่วนประกอบในระบบควอนตัมที่จัดการช่องทางไหลของฟลักซ์ได้ตามต้องการ
จากหมุดหมายวิจัยสู่แผนที่การพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมประยุกต์
เมื่อมองรวมสามทิศทางนี้ โครงสร้างควอนตัมใหม่อย่าง non-Abelian anyons การจำลองกระบวนการกำเนิดสสารด้วยควอนตัมซิมูเลเตอร์ และเทคนิคควบคุมวอร์เทกซ์ระดับอะตอม เราเห็นภาพเดียวกันคือควอนตัมคอมพิวเตอร์ความก้าวหน้ากำลังกลายเป็นเรื่องของวิศวกรรมมากกว่าปรัชญาฟิสิกส์ การสร้างชุดเกตสากลในรหัส non-Abelian คือจุดเริ่มต้นของแผนผังสู่การคำนวณที่ทนทานโดยไม่ต้องแบกภาระ magic state distillation ขณะที่งาน string breaking แสดงให้เห็นว่าควอนตัมซิมูเลเตอร์สามารถโอบรับปัญหาฟิสิกส์อนุภาคที่เคยเอื้อมถึงได้เฉพาะด้วยเครื่องเร่งอนุภาคยักษ์ และหากขยายสเกลขึ้น คาดว่าจะพาเราไปสู่ปัญหาที่คอมพิวเตอร์ดั้งเดิมหมดสิทธิ์แตะ
บทสรุปคือก้าวถัดไปไม่ใช่การพิสูจน์ว่าควอนตัมเหนือกว่าคลาสสิก แต่คือการต่อจิ๊กซอว์ระหว่างรหัสทอพอโลยี การแก้ข้อผิดพลาดเชิงรุก ฮาร์ดแวร์กับดักไอออน วัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์ชั้นอะตอม และเทคนิคควบคุมวอร์เทกซ์ที่ละเอียดกว่าที่เคยมีถึง 1,000 เท่า ยิ่งการทดลองเติบโตทั้งในจำนวนคิวบิตเช่นจาก 54 คิวบิตขึ้นไป และจำนวนไอออนในซิมูเลเตอร์จาก 13 ตัวไปสู่ห่วงโซ่ยาวกว่านั้น เรายิ่งเข้าใกล้ภาพของเทคโนโลยีควอนตัมประยุกต์ที่ไม่เพียงตอบโจทย์งานวิจัยขั้นสูง แต่กลับมาสะท้อนใหม่ว่าเราควรออกแบบสถาปัตยกรรมการคำนวณของอนาคตให้แตกต่างจากพีซีในวันนี้อย่างไร
