UC برکلی به رهبری $25 میلیون کوانتومی محاسبات مرکز

هنرمند تفسیر از درهمتنيدگی کوانتومی. (NSF تصویر توسط Nicolle R. فولر)

به عنوان بخشی از دولت فدرال تلاش به سرعت توسعه کوانتومی, کامپیوتر, بنیاد ملی علوم (NSF) اعطا شده دانشگاه کالیفرنیا در برکلی 25 میلیون دلار در طول پنج سال به ایجاد چند دانشگاه و موسسه با تمرکز بر پیشبرد کوانتومی علوم و مهندسی و آموزش آینده نیروی کار برای ساخت و استفاده از کامپیوترهای کوانتومی.

UC برکلی به رهبری مرکز یکی از سه جهش کوانتومی چالش های موسسات (QLCI) اعلام کرد امروز (سه شنبه, جولای 21) توسط NSF و نشان دهنده یک مبلغ 75 میلیون دلار سرمایه گذاری است. این طرح یک بخش مرکزی از ملی کوانتومی ابتکار عمل 2018 کاخ سفید صنایع از برنامه های آینده و NSF جاری جهش کوانتومی تلاش است.

این QLCI برای حال و آینده محاسبات کوانتومی متصل UC برکلی, UCLA, UC Santa Barbara و پنج دانشگاه دیگر در سراسر کشور بهره برداری از ثروت تجربی و نظری کوانتوم دانشمندان برای بهبود و تعیین بهترین روش برای استفاده از امروز, ابتدایی کامپیوترهای کوانتومی بسیاری از آنها ساخته شده توسط بخش خصوصی و یا دولت labs. هدف در نهایت به کامپیوترهای کوانتومی به عنوان مشترک به عنوان گوشی های موبایل که رایانه های دیجیتال در جیب ما است.

"وجود دارد یک حس است که ما در پرتگاه واقعا بزرگ حرکت به سوی محاسبات کوانتومی" گفت: Dan Stamper-Kurn UC برکلی استاد فیزیک و مدیر موسسه. "ما فکر می کنیم که توسعه کامپیوتر کوانتومی خواهد بود واقعی علمی, انقلاب, تعریف چالش علمی از لحظه, به خصوص اگر شما فکر می کنم در مورد این واقعیت است که کامپیوتر نقش مرکزی در فقط در مورد همه چیز جامعه می کند. اگر شما یک شانس به انقلابی چه یک کامپیوتر است, سپس شما را متحول فقط در مورد هر چیز دیگری."

واقع در نزدیکی قلب صنعت رایانه امروز دره سیلیکون و در عمده دانشگاه کالیفرنیا و آزمایشگاه ملی "این مرکز برقرار کالیفرنیا به عنوان مرکز جهانی برای تحقیق در محاسبات کوانتومی," او گفت:.

کامپیوترهای کوانتومی اساسا متفاوت از رایانه های دیجیتال در تلفن های همراه لپ تاپ و اتومبیل و لوازم خانگی. شما می توانید فکر می کنم از رایانه های دیجیتال به عنوان یک مجموعه ای از میلیون ها نفر از مستقل بیت — یا آنهایی که یا صفر — که تلنگر به عقب و جلو هر میلیاردم از یک دوم بر اساس یک سری از دستورالعمل ها به نام یک الگوریتم است. سخت تر از مشکل دیگر این لیست از دستورالعمل حذف.

در یک کامپیوتر کوانتومی هر بیت است که در ارتباط با هر بیت — quantumly گرفتار — به طوری که شرح وضعیت حتی 100 بیت کوانتومی خواهد بود به مراتب بزرگتر از می تواند ذخیره شده در بزرگترین کلاسیک دیجیتال کامپیوتر.

"ترجمه این توانایی قابل توجهی از کامپیوترهای کوانتومی را در واقع حل یک مشکل محاسباتی بسیار چالش برانگیز است و نیاز به یک راه کاملا جدید از فکر کردن در مورد الگوریتم" گفت: Umesh Vazirani UC برکلی و استاد علوم کامپیوتر و co-مدیر موسسه. "طراحی موثر کوانتومی الگوریتم یک چالش کلیدی در تحقق این پتانسیل عظیم از کامپیوترهای کوانتومی."

آی بی ام کامپیوتر کوانتومی به نام Q. (حسن نیت ارائه میدهد عکس از آی بی ام)

کار نظری نشان داده است که کامپیوترهای کوانتومی هستند بهترین راه برای انجام برخی از وظایف مهم: مقاطعه تعداد زیادی از رمزنگاری یا رمزگشایی داده ها, جستجو در پایگاه داده و یا پیدا کردن راه حل های بهینه برای مشکلات. با استفاده از مکانیک کوانتومی اصول به پردازش اطلاعات ارائه می دهد یک speedup بیش از زمان آن طول می کشد برای حل بسیاری از مشکلات محاسباتی در زمان دیجیتال کامپیوتر.

"مشکلات علمی است که می تواند سن جهان را حل کند در یک کامپیوتر استاندارد به طور بالقوه می تواند تنها در چند دقیقه بر روی یک کامپیوتر کوانتومی" گفت: Eric Hudson, UCLA استاد فیزیک و مدیر شرکت جدید موسسه. "ما ممکن است توانایی طراحی جدید دارویی برای مبارزه با بیماری ها در یک کامپیوتر کوانتومی به جای در یک آزمایشگاه. یادگیری ساختار مولکول و طراحی داروهای موثر هر کدام هزاران اتم هستند ذاتا کوانتومی چالش است. یک کامپیوتر کوانتومی به طور بالقوه می تواند محاسبه ساختار مولکول و چگونه مولکول های واکنش نشان می دهند و رفتار کنند."

"من فکر می کنم محاسبات کوانتومی اجتناب ناپذیر است" Stamper-Kurn اضافه شده است. "من نمی دانم که این زمان در مقیاس بزرگ است — آن را 100 سال یا 10 سال ؟ — اما ما در حال صحبت کردن در مورد نمایی افزایش توانایی."

پوسته پوسته شدن مشکل

در حال حاضر کامپیوترهای کوانتومی به طور معمول یوغ هم لاشی 50 یا کمتر بیت کوانتومی یا qubits. اما این کاملا یک دستاورد Stamper-Kurn گفت: با توجه به این که این آمد و در مورد سرعت بیش از دهه گذشته و در حال حاضر باعث نوپای کامپیوتر کوانتومی میباشد. در نور از این پیشرفت دانشمندان و دولت فدرال پیش بینی و حتی سریع تر پیشرفت اگر دولت سرمایه گذاری در تحقیقات پایه و آموزش و پرورش است که مکمل های فنی پیشرفت های ساخته شده توسط شرکت هایی مانند گوگل, شرکت مایکروسافت, اینتل و آی بی ام.

گوگل چنار تراشه کوانتومی کامپیوتر نگه داشته است سرد داخل خود کوانتومی cryostat. (تصویر توسط اریک Lucero/Google Inc.)

موسسه جدید که همچنین شامل دانشگاه جنوب کالیفرنیا California Institute of Technology, University of Texas at Austin, موسسه تکنولوژی ماساچوست و دانشگاه واشنگتن سیاتل را مقابله با برخی از چالش های عمده ای در این زمینه است.

"ما می دانیم که کامپیوترهای کوانتومی در راه خود را وجود دارد محققان سراسر کشور در حال کار برای ساخت و تست آنها گفت:" NSF برنامه مدیر هنری Warchall. "اما هر کسی با یک کامپیوتر را به شما بگویم که سخت افزار نیست مفید بدون نرم افزار برای اجرا بر روی آن — و این که این مرکز منجر خواهد شد و ما به سمت راه حل است. این NSF جهش کوانتومی چالش موسسه برای حال و آینده محاسبات کوانتومی ما کمک خواهد کرد که کلید برنامه نویسی عناصر در مکان و زمانی که محاسبات کوانتومی سخت افزار در محل است."

یکی از این موسسه اولین چالش این است که برای شناسایی برنامه های کاربردی که برای آن زمان کامپیوترهای کوانتومی مناسب ترین هستند به منظور استفاده کامل از امروز نسل اول کامپیوتر.

"مردم بحث در مورد پر سر و صدا متوسط مقیاس کوانتومی کامپیوتر یا NISQ دستگاه همان چیزی است که ما در حال حاضر. آنها بسیار محدود در آنچه انجام می دهند می تواند از همه مهمتر چرا که آنها نمی دانند که چگونه برای اصلاح اشتباهات است که می آیند تا در طول محاسبات" Stamper-Kurn گفت. "آنها در حال رفتن به تواند مفید باشد برای کوتاه مقیاس و یا در مقیاس کوچک محاسبات, اما این مهم است که ما پیدا کردن راه هایی برای استفاده از آنها مولد زیرا که تحریک تمام زمینه."

این موسسه نیز رسیدگی خواهد شد چالش بلند مدت توسعه الگوریتم برای نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی را قادر خواهد ساخت که مهم علمی و اقتصادی و پیشرفت اجتماعی و همچنین حرکت در مرز بین کوانتومی و کلاسیک قابلیت های محاسباتی.

"تحقق کامل قدرت محاسبات کوانتومی نیاز به توسعه طرح های کارآمد برای اصلاح خطاها در طول عملیات کوانتومی ماشین آلات و همچنین به عنوان پروتکل های تست و بنچمارک," Vazirani گفت.

یک محفظه خلاء با یک یون دام در این مرکز است. در این مثال یونهای کلسیم برگزار می شود 100 میکرومتر بالاتر از سطح با استفاده از برق زمینه. یون های مشاهده شده از بالا. (UC برکلی حسن نیت ارائه میدهد عکس از Hartmut Ray)

آشنایی با قابلیت های محاسباتی کوانتومی رایانه یکی از مهم ترین چالش های حوزه و مهم خواهد بود راننده از پیشرفت و حرکت رو به جلو. این کار نیاز به یک افزایش در تعداد کامپیوتر دانشمندان درگیر در این سوال.

"این سایمونز موسسه نظریه محاسبات در دانشگاه برکلی است منحصر به فرد آماده برای ایجاد این تعامل گفت:" Vazirani که منجر به محاسبات کوانتومی تلاش در موسسه. "این سایمونز موسسه مکه برای مبانی محاسبات و میزبان تعدادی از محققان در محاسبات کوانتومی و تسهیل در نوع شدید در فرد متقابل انضباطی همکاری است که می تواند منجر به پیشرفت سریع."

همچنین کلید است که با همکاری دانشگاه UCLA موسسه ریاضیات محض و کاربردی که کمک خواهد کرد که اعمال ریاضی و علوم اطلاعات ابزار در این زمینه است.

این قدر از این چالش نیز نیاز به ورودی از دامنه از تخصص علمی و ریاضی/محاسباتی رشته اجازه می دهد تا کوانتومی الگوریتم طراحی به طور خاص متناسب با مشکلات.

"کوانتومی الگوریتم طراحی در حال ورود به یک عصر co-طراحی آن خاص علمی و محاسباتی محدودیت و نیاز به حفظ شکننده کوانتومی انسجام اساسی کوانتومی الگوریتم های قوی تر برای تولید یک راه حل کارآمد برای خاص علمی مشکل" گفت: Birgitta Whaley UC برکلی و استاد شیمی و co-مدیر موسسه. "ما می دانیم که چگونه به انجام این کار برای سیستم های کوچک اما پوسته پوسته شدن به بزرگ کوانتومی ماشین آلات به ارمغان می آورد چالش های جدید برای پیاده سازی. این چیزی است که ما را در مقابله با این موسسه جدید."

Experimentalists و نظریه پردازان از رشته های شیمی فیزیک, علم مواد و مهندسی و ریاضیات و علوم کامپیوتر را مقابله با برخی از این مشکلات برجسته در خصوص نحوه مقیاس کردن کامپیوتر از ده ها میلیون ها qubits بدون از دست دادن کوانتومی خواص این گروه از qubits.

"سوال بزرگ این است: چگونه می توانم شما را به یک سیستم کوانتومی بزرگتر و بزرگتر بدون آن انجام بدتر و بدتر؟" Stamper-Kurn گفت. "آنچه که مردم می بینند این است که به چیزی بزرگتر بیشتر سر و صدا سرخی کالیبراسیون سخت تر است اتصال دشوار است — این سخت است برای دریافت یک قسمت از کامپیوتر به صحبت کردن با دیگری است."

این گروه قصد دارد به تمرکز بر روی سه تجربی سیستم عامل که استفاده های مختلف سیستم های کوانتومی به عنوان qubits: به دام افتاده یونهای به دام افتاده اتم ها و مدارهای ابررسانا.

"برخی از این سیستم های بزرگ کار می کنند و در تعداد کمی از qubits بنابراین ما می توانیم کار واقعا سخت در افزایش وفاداری خود را و آنها را دقیق تر. برخی به طور طبیعی به کار در تعداد زیادی از qubits و ما می توانیم تست کردن ایده های در مورد چگونه به کار یک کامپیوتر کوانتومی با یک طیف محدود از کنترل اما بسیاری از qubits به کار با" Stamper-Kurn گفت. "همه آنها در اوایل توسعه فن آوری منحنی تا با معرفی برخی از فن آوری های جدید با کمک مهندسین ما می تواند به بهبود توانایی ما برای عمل بسیاری از سیستم های در یک بار."

یک آرگون پلاسما تخلیه استفاده می شود برای تمیز کردن یک یون دام اجازه می دهد تا برای انسجام بهتر در طول کوانتومی انتقال اطلاعات است. یون های به دام افتاده در یکی از پیشرفته ترین نامزدها برای یک مقیاس کوانتومی پردازش دستگاه. (UC برکلی حسن نیت ارائه میدهد عکس از Hartmut Häffner)

گرانت را تقویت تعاملات میان محققان و دانشجویان دکترا از بسیاری از زمینه ها با کمک هزینه های تحصیلی همایش ها و کارگاه های آموزشی. اما یک جزء اصلی خواهد بود, آموزش های آینده نیروی کار شبیه به راه علوم کامپیوتر آموزش در دانشگاه ها مانند دانشگاه برکلی و استنفورد سوخت دره سیلیکون افزایش برای تبدیل شدن به یک غول تکنولوژی. UCLA خواهد آزمایشی کارشناسی ارشد برنامه کوانتومی, علم و فناوری برای آموزش کوانتومی-هوشمند نیروی کار در حالی که عظیم دوره های آنلاین و یا MOOCs را کمک به گسترش دانش و درک از کامپیوترهای کوانتومی حتی برای دانش آموزان دبیرستانی.

این تیم امیدوار به همکاری با دپارتمان انرژی آزمایشگاه مانند لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی که در سال 2018 راه اندازی پیشرفته کوانتومی Testbed بیشتر به محاسبات کوانتومی بر اساس مدارهای ابررسانا.

این پروژه به ثمر رسید در بخش, با تشکر از UC گسترده کنسرسیوم کالیفرنیا موسسه درهمتنيدگی کوانتومی بودجه توسط UC را Multicampus برنامه های تحقیقاتی و طرح های (MRPI).

"این جایزه را به رسمیت می شناسد این تیم چشم انداز چگونه پیشرفت های محاسباتی کوانتومی علم می تواند آشکار بنیادی جدید به درک از پدیده در کوله ظهر-مقیاس است که می تواند به نفع نوآوری در هوش مصنوعی و پزشکی و مهندسی و گفت:" ترزا مالدونادو, UC معاون رئیس جمهور برای تحقیق و نوآوری است. "ما در حال افتخار به ملت را در تعامل با دانشجویان ممتاز از زمینه های متنوع را در این زمینه مطالعه است."

شرکت مدیران این موسسه در حال UCLA اریک Hudson; گیرد که مدیر شرکت برکلی کوانتومی اطلاعات و محاسبات مرکز (QBIC); Vazirani های Roger A. Strauch استاد مهندسی برق و علوم کامپیوتر و مدیر شرکت برکلی کوانتومی اطلاعات و محاسبات مرکز (QBIC); و Hartmut Häffner UC برکلی دانشيار و مایک گیورگی صندلی در فیزیک.

دو دیگر 25 میلیون دلار جهش کوانتومی چالش موسسه اعلام کرد امروز محور در دانشگاه کلرادو بولدر و دانشگاه Illinois Urbana-Champaign و تمرکز بر کوانتومی سنجش و شبکههای کوانتومی بود.

اطلاعات مربوط به