Fattig mands qubit kan løse kvanteproblemer uden at blive kvante

Der kan stadig gå årtier, før kvantecomputere er klar til at løse problemer, som nutidens klassiske computere ikke er hurtige eller effektive nok til at løse, men den nye "sandsynlighedscomputer" kunne bygge bro mellem klassisk og kvanteberegning.

Ingeniører ved Purdue University og Tohoku University i Japan har bygget den første hardware til at demonstrere, hvordan de grundlæggende enheder i, hvad der ville være en probabilistisk computer - kaldet p-bits - er i stand til at udføre en beregning, som kvantecomputere normalt ville blive bedt om at udføre.

Studiet, udgivet i Natur onsdag (18. sept.), introducerer en enhed, der tjener som grundlag for at bygge probabilistiske computere til mere effektivt at løse problemer inden for områder som lægemiddelforskning, kryptering og cybersikkerhed, finansielle tjenesteydelser, dataanalyse og forsyningskædelogistik.

Nutidens computere gemmer og bruger information i form af nuller og enere kaldet bits. Kvantecomputere bruger qubits, der kan være både nul og én på samme tid. I 2017 en Purdue-forskningsgruppe ledet af Supriyo Datta, universitetets Thomas Duncan Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering, foreslået ideen om en probabilistisk computer, der bruger p-bits, der kan være enten nul eller én på et givet tidspunkt og svinge hurtigt mellem de to.

"Der er en nyttig undergruppe af problemer, der kan løses med qubits, som også kan løses med p-bits. Man kan sige, at en p-bit er en "fattigmands qubit, '" sagde Datta.

Mens qubits har brug for virkelig kolde temperaturer for at fungere, p-bits fungerer ved stuetemperatur som nutidens elektronik, så eksisterende hardware kunne tilpasses til at bygge en probabilistisk computer, siger forskerne.

Holdet byggede en enhed, der er en modificeret version af magnetoresistiv tilfældig adgangshukommelse, eller MRAM, som nogle typer computere bruger i dag til at gemme information. Teknologien bruger magneternes orientering til at skabe modstandstilstande svarende til nul eller én.

Tohoku University forskere William Borders, Shusuke Fukami og Hideo Ohno ændrede en MRAM-enhed, gør den bevidst ustabil for bedre at lette p-bits evne til at fluktuere. Purdue-forskere kombinerede denne enhed med en transistor for at bygge en tre-terminal enhed, hvis udsving kunne kontrolleres. Otte sådanne p-bit enheder var forbundet med hinanden for at bygge en sandsynlighedscomputer.

Kredsløbet løste med succes, hvad der ofte betragtes som et "kvante"-problem:Nedbrydning, eller factoring, tal som 35, 161 og 945 i mindre tal, en beregning kendt som heltalsfaktorisering. Disse beregninger ligger godt inden for mulighederne for nutidens klassiske computere, men forskerne mener, at den probabilistiske tilgang, der er demonstreret i dette papir, ville optage meget mindre plads og energi.

"På en chip, dette kredsløb ville optage det samme areal som en transistor, men udføre en funktion, der ville have krævet tusindvis af transistorer at udføre. Det fungerer også på en måde, der kunne fremskynde beregningen gennem parallel drift af et stort antal p-bits, " sagde Ahmed Zeeshan Pervaiz, en ph.d. studerende i el- og computerteknik ved Purdue.

Realistisk set, hundredvis af p-bits ville være nødvendige for at løse større problemer - men det er ikke så langt væk, siger forskerne.

"I den nærmeste fremtid, p-bits kunne bedre hjælpe en maskine til at lære som et menneske gør eller optimere en rute for varer til at rejse til markedet, " sagde Kerem Camsari, en Purdue postdoc associeret i el- og computerteknik.