قد تكون على دراية بـ Qubit ، الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية. كما يوحي اسمه ، فإن Qubit في كمبيوتر الكم يؤدي نفس الوظيفة في جهاز كمبيوتر كلاسيكي ، مع اختلاف كبير: يمكن التعامل مع Qubits على أنها 0 أو 1 في وقت واحد ، مما يسمح للأنظمة الكمومية بمعالجة المعلومات بشكل أسرع بكثير من أسرع الأنظمة الكلاسيكية.
ولكن هناك أيضًا qudit ، طريقة مختلفة لتخزين المعلومات الكمومية والاستفادة منها. تحدث Gizmodo إلى كريستين موسشيك ، الباحثة الكمومية في المعهد المحيط للفيزياء النظرية وجامعة واترلو ، أونتاريو ، حول الوحدة الحسابية ، والتي يمكن أن تستفيد من مستشفى رئيسي من الأنظمة الكمومية للقيام بالحوسبة الأكثر تعقيدًا من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التي يمكنها.
نشر فريق Muschik أبحاثًا الأسبوع الماضي في Nature Physics يقولون “يفتح الباب لمحاكاة الكم الموفرة للأجهزة لنظريات المقياس مع qudits في الأجهزة الكمية القريبة من المدى.” تأتي ورقة Muschik الجديدة في أعقاب ورقة 2021 حول نفس الموضوع ، المنشورة في PRX Quantum.
تحدث Gizmodo مع Muschik عبر الهاتف لمناقشة طبيعة ورقة البحث ومستقبل Qudits على نطاق أوسع. فيما يلي حديثنا ، تم تحريره برفق للتوضيح.
إسحاق شولتز ، جيزمودو: أدرك أن لديك هذه الورقة الجديدة ، لكن ربما يمكننا أولاً التحدث عن مصطلح qudit ، وماذا يعني ذلك.
كريستين موشيك: نريد أن نجعل الحوسبة فعالة وقوية قدر الإمكان. هذه هي المهمة الشاملة ، لجعل الحوسبة قوية قدر الإمكان. الخطوة رقم واحد ، بالطبع ، نعتقد أن أجهزة الكمبيوتر الكم لديها فرصة لتكون أكثر قوة. ولكن بمجرد أن نكون على طريق تسخير الكم ، ما هي الطريقة الأكثر كفاءة للقيام بذلك؟ كان الحقل مستوحى جدًا من كيفية عمل أجهزة الكمبيوتر العادية ، لأنه في أجهزة الكمبيوتر العادية ، يكون لديك أصفار وأخرى ، ويمكنك القيام بعمليات منطقية على ذلك. كيف تعمل معظم أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي أنك تأخذ أيضًا أصفار وأحساس ، فقط تضيف جزءًا من الكم الخاص بك. يمكن أن يكون الصفر والآخر في تراكب ، وبعد ذلك ، بدلاً من ذلك قليلاً ، لديك Qubit. لكن الفلسفة هي نفسها. لديك صفر وواحد ، وهكذا تعالج معلوماتك.
الآن لديك qudits ، مع 'd' – لماذا نتوقف على مستويين؟ ألا يمكننا أن نستمر؟ في أجهزة الكمبيوتر الكم الحديثة ، تقوم بتشفير Qubits الخاص بك ، لديك مستويين فقط وجميع الآخرين الذين تتجاهلهم. ولكن ماذا يحدث إذا لم نتجاهل جميع الحالات الأخرى ، لكننا نشفر المعلومات (فيها)؟ لقد بدأنا مع Qutrit – مستوى واحد آخر – حامل معلومات فردي هو الآن ثلاثة مستويات ، ثلاث حالات ممكنة.
Gizmodo: إذا تعاملت مع كل واحد من هؤلاء كوسيلة مختلفة لترميز المعلومات ، فسيبدو أنك يمكن أن تشفر مزيد من المعلومات بشكل كبير.
كريستين موشيك: يمكنك وضع المزيد من المعلومات باستخدام المزيد من المستويات ، ولكن ليس أكثر من ذلك بشكل كبير. إذا كنت سأرسل لك قليلاً ، يمكنني أن أرسل لك نعم أو لا ، ولكن إذا أرسلت لك (Qutrit) ، فلدي الخيارات بين نعم ، لا ، وربما.
Gizmodo: كيف يغير ذلك تشغيل الكمبيوتر الكم؟
كريستين موشيك: هناك ثمن لدفعه ، ثم هناك المكافأة التي نحصدها. يجب أن يكون لديك المزيد من التحكم عبر المزيد من المستويات ، لكن المكافأة هي أن لديك عددًا من شركات المعلومات – سجل – وهو أكثر إحكاما.
أهم شيء هو أن تعقيد الدائرة الخاص بك يتقلص. نحن في العمل في تصميم الدوائر المنطقية ، وما يعوق فريقي وأنا كل الوقت المذهل هو أنه إذا كانت الدائرة طويلة جدًا ، فهذه هي عنق الزجاجة. لا يتم تصحيح أجهزة الكمبيوتر الكم على الإطلاق ، وفي كل مرة تقوم فيها بتشغيل ما ، تقدم القليل من الضوضاء. إذا كان لديك دائرة طويلة وطويلة وطويلة وطويلة ، فأنت تتراكم الكثير من الضوضاء لدرجة أنك في النهاية ترى الضوضاء فقط وليس إجابتك. هذا هو صداعنا ، ولماذا لا ننام بشكل صحيح.
ما أدركناه مع هذه qudits هو أنه ، نظرًا لأن المعلومات يتم معالجتها بكفاءة ، يبدو الأمر كما لو كنت تضع دائرتك على نظام غذائي. كل شيء أكثر كفاءة ، وستحصل على النتيجة بسرعة أكبر وبضوضاء أقل.
Gizmodo: الآن نحن نتطرق حقًا إلى البحث – هل يمكن أن تتحدث إلى آخر ورقة لفريقك وما وجدته بالضبط؟ كيف تحرك الإبرة على هذه الفكرة؟
كريستين موشيك: كان لدى فريقي هذا الحلم الذي أردنا محاكاة تفاعل الجسيمات الأساسي – وهذا في الواقع ما حصلت عليه وظيفتي ، لمحاكاة تفاعلات الجسيمات الأساسية. لكن من الصعب حقًا القيام به على جهاز كمبيوتر الكم. لديك الكثير من الضوضاء. كان لدينا هذا الحلم من تفاعلات الجسيمات الأساسية وكان هذا الفريق الآخر في مجال بناء كمبيوتر الكم qudit. انضممنا إلى القوات.
أود أن أزعم أن نتائجنا نقلت الإبرة ذات شقين. يمكننا محاكاة تفاعلات الجسيمات الأساسية التي تتجاوز 1D – كان هذا هو أول شيء شرعنا في القيام به. لكن عن طريق الخطأ ، أنجزنا أيضًا شيئًا آخر: أول خوارزمية كاملة. وضعنا كل شيء معًا وأخذناها في محرك أقراص ، خوارزمية كاملة. الآن لديك قدرة الحوسبة يمكننا تطبيق هذا الآن.
Gizmodo: كنت سأسألك عن التطبيقات الآن ، والآن بعد أن استحوذت على هذا.
كريستين موشيك: الشيء الواضح هو في فيزياء الجسيمات ، حيث يمكنك محاكاة أشياء كثيرة. ولكن بعد ذلك ، هناك أيضًا مشاكل أخرى يمكنك محاكاة ، كما هو الحال في علوم المواد ، والكيمياء التي يمكنك محاكاة. كما أنها مفيدة للغاية في فكرة عشاق الكم للإنترنت الكمومي الذي يحاول الناس بناءه. يمكنك جعل المعلومات أكثر أمانًا في الاتصالات الكمومية. لقد أدركنا كل هذه الأشياء العام الماضي في فصل الصيف في ورشة عمل مشتركة في معهد الحوسبة الكمومية ومعهد المحيط ، حيث جمعنا الأشخاص التجريبيين والمنظرين والمستخدمين. بدأنا هذا الأسبوع في كتابة ورقة وجهات نظر ، لأننا نريد أن نضع خريطة طريق لكيفية أن تكون Qudits مفيدة في مجالات مختلفة من التكنولوجيا الكمومية. وأيضًا ما هو مفقود – هناك ثغرات وثقوب وفي بعض الحالات الوازية من المعلومات المفقودة. بالنسبة إلى qudits ، كيف يمكنك القيام بتخفيف الأخطاء ، والتحكم الأمثل ، وتصحيح الخطأ؟ هناك الكثير لمعرفة ذلك.
Gizmodo: كيف تتزوج هذه المحاكاة وأنواع الأطر النظرية من خلال تجربة العالم الحقيقي التي تجري في أماكن مثل CERN ، في LCLS – الأماكن التي تصطدم فيها بالجزيئات وينظرون إلى هذه التفاعلات دون الذرية؟
كريستين موشيك: جميع أجهزة الكمبيوتر الكمومية لدينا ، مثل ، دليل على المفهوم حقًا. إنهم صغار وصاخبون. نحن محدودون للغاية بما يمكننا القيام به. يمكننا إثبات أنه يعمل ، لكن لا يمكننا أن نتفوق على أقوى أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. لا يمكننا حتى أن تتفوق على جهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بي. لفترة من الوقت ، ستكون أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية متقدمًا (لأجهزة الكمبيوتر الكمومية) ، لكن في النهاية سوف تصل إلى حاجز طريق. ولكن بمجرد أن نبني (جهاز كمبيوتر الكم) لا يوجد شيء يحظره. هناك تصادمات للجسيمات في CERN – الكمبيوتر الكم ، نأمل أن تستند إلى Qudits – التي يمكن أن تجعل التنبؤ بالتصادم ويمكنك مقارنة ذلك بالتجارب. على سبيل المثال ، نقوم بمحاكاة إنشاء زوج الجسيمات الجسيمات ، وهذا شيء لا يمكننا رؤيته في التجارب حتى الآن. في المستقبل ، ستكون هناك تجارب تتمثل في مزق أزواج الجسيمات الجسيمات في QED من الفراغ ، وبالتالي نريد المقارنة بهذه التجربة.
ولكن هناك بعض المشكلات التي يكون فيها الكمبيوتر الكلاسيكي جيدًا ، لا يوجد سبب لإنشاء كمبيوتر الكم باهظ الثمن. ولكن إذا كان لديك شروط مع الكثير من المادة ، أو أي شيء ديناميكي – التفكير في النجم النيوتروني ، أو بداية الكون – فإن فيزياء الجسيمات المنهجية خارج النافذة.
Gizmodo: لقد ذكرت أن qudits يجب أن تكون في اللعبة عندما نتحدث عن تصادم الجسيمات. استراتيجيات أخرى أو مناهج الحوسبة الكمومية يتم إيقافها والتي قد تتنافس في هذا المجال؟
كريستين موشيك: أوه ، إنهم متوافقون جدًا. يعتقد بعض الناس أن Qubits و Qudits سيكونان منافسين ، ولكن كان لدينا كمبيوتر الكم الذي كان سجله يتألف من كليهما. أسميها فرصة دمج سلسة – يمكنك حقًا التوصيل والتشغيل وفقًا لما تحتاجه.
Gizmodo: ما هي تآزرهم على وجه التحديد ، وما نوع الأسئلة التي يتم استكشافها بشكل أفضل باستخدام Qubits مقابل qudits والعكس بالعكس؟
كريستين موشيك: في مثالنا ، لدينا نظرية المقياس – مجرد تفاعل جسيم أساسي – ولديه مكونان أساسيان. مكون واحد مهم – في حالتنا ، كان لدينا إلكترونات وبوزيترون. اتضح أن هناك وصفًا طبيعيًا للغاية من حيث Qubits للإلكترون والوسيترون ، لذلك نترك ذلك إلى Qubits. لكن حقول القوة – التي تسمى بعض بوزونات قياس الكم – لها العديد من المستويات المختلفة. أنت تجعل كل شيء غير فعال للغاية إذا حاولت وصف حقول القوة هذه ذات الأنظمة ذات المستوىين. يمكن أن نحصل على الكثير من الكفاءة باستخدام qudits لذلك. البنية التحتية الخاصة بك هي نفسها ، فأنت تقرر فقط ما تريد استخدامه.
Gizmodo: ما هي الخطوات التالية لفريقك ، والخطوة التالية ل qudits بشكل عام؟ ماذا يعني هذا بالنسبة للفيزياء الكمومية بشكل عام؟
كريستين موشيك: قمنا بمحاكاة لأول مرة ، تفاعلات الجسيمات الأساسية مع المسألة وحقول القوة تتجاوز البعد. ما نحتاج إلى القيام به بعد ذلك هل نحتاج إلى الذهاب إلى ثلاثة أبعاد ، أليس كذلك؟ نريد أيضًا الذهاب إلى نظريات أكثر تعقيدًا. تحدثنا عن الإلكترونات والبوزيترون وكيف يتفاعلون. لكن بعد ذلك نريد تضمين الكواركات والغلون. قبل بضعة أسابيع ، نتحرك في استشعار الكم مع qudits. ونحن بحاجة أيضًا إلى التحقيق في كيفية القيام بتصحيح خطأ أفضل على هذه الحواف. إذا كان بإمكانك الحصول على هذه الكفاءة (qudit) ولكن أيضًا تصحيح الخطأ فوق ذلك ، فستكون حقًا في العمل.