Komputery kwantowe: nowy inteligentny wzmacniacz oszczędza energię

Zespół naukowców z Uniwersytetu Technologicznego Chalmers w Szwecji zaprezentował inteligentny system wzmacniaczy, który umożliwia komputerom kwantowym maksymalizację danych kubitowych. Modernizacja ta pomoże przyszłym urządzeniom skalować się, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na systemy komputerowe zorientowane na sztuczną inteligencję. Oto, jak inżynierowie wykorzystali wzmacniacze kubitowe do zwiększenia wydajności komputerów kwantowych.

Komputery kwantowe

Ostatnio dużo mówi się o komputerach kwantowych. Urządzenia te, wynalezione dopiero w 1998 r., wykorzystują kubity zamiast tradycyjnych bitów komputerowych. Pierwszym komputerem kwantowym był 2-kubitowy komputer kwantowy wykorzystujący jądrowy rezonans magnetyczny (NMR).

Jego projekt był rewolucyjny, ponieważ zawierał zjawiska mechaniki kwantowej, takie jak superpozycja i splątanie, aby wykonywać swoje zadania. Co ciekawe, komputery kwantowe mogą przewyższać superkomputery i są w stanie obsłużyć najbardziej złożone obliczenia znane człowiekowi dzisiaj.

Bity kontra kubity

Ich moc pochodzi z użycia kubitów zamiast bitów. Komputery dzisiaj polegają na bitach danych, aby działać. Bity są wysyłane jako jedynki i zera przy użyciu kodu binarnego. Dowolna kombinacja tych cyfr może równać się konkretnym informacjom dla komputerów. Kod binarny jest solidnym fundamentem dla komputerów od dziesięcioleci.

Wprowadzenie bitów kwantowych lub kubitów zmienia wszystko. Dzięki superpozycji kubity są w stanie przenosić wszystkie wartości w tym samym czasie, zapewniając ogromną ilość możliwości obliczeniowych. Co ciekawe, wszystkie komputery kwantowe opierają się na specjalnych urządzeniach, których używają do interpretowania danych kwantowych, zwanych wzmacniaczami.

Wzmacniacze

Wzmacniacze wzmacniają wrażliwe mikrofale, aby wzmocnić sygnały kubitów. Są kluczowym elementem w projektowaniu komputerów kwantowych, gdzie pomagają zapewnić, że dane kubitów zostaną szybko zarejestrowane, zanim stan kwantowy zniknie.

Ograniczenia komputerów kwantowych

Istnieją pewne ograniczenia komputerów kwantowych, które spowolniły ich adopcję. Po pierwsze, są one niezwykle drogie w budowie i eksploatacji. Urządzenia te muszą być przechowywane w temperaturach kriogenicznych, aby ustabilizować kubity i zapobiec dekoherencji kubitów.

Dekoherencja może wystąpić z wielu powodów, w tym zakłóceń magnetycznych, elektrycznych lub cieplnych. Ta ostatnia jest poważnym problemem, ponieważ każdy wzmacniacz dodany do systemu komputera kwantowego wprowadza również dodatkowe zapotrzebowanie na ciepło i energię. Najmniejsza zmiana temperatury może spowodować utratę integralności kubitów i ich bezużyteczność w obliczeniach.

Badanie wnętrza inteligentnego wzmacniacza

Działanie impulsowego HEMT LNA do odczytu kubitów „The Puzzle of Monogamous Marriage” ¹, zaproponowany przez inżynierów z Chalmers University of Technology w Szwecji, wprowadza nową metodę skalowania wydajności komputera kwantowego. Nowe podejście opiera się na wydajnych kubitach zasilanych przez specjalnie zbudowany wzmacniacz i algorytm.

System komputerowy kwantowy wykorzystuje zmodyfikowane, dostępne komercyjnie kriogeniczne urządzenie hybrydowe do pracy z inteligentnym wzmacniaczem. Inteligentny wzmacniacz został zbudowany tak, aby działał tylko wtedy, gdy bity kwantowe pulsują. To podejście wiązało się z wieloma wyzwaniami, które badacze musieli pokonać, aby odnieść sukces.

Źródło - Chalmers University of Technology

Po pierwsze, zespół musiał skonfigurować urządzenie tak, aby działało wystarczająco szybko, aby włączać się i wyłączać między impulsami kubitowymi. Aby wykonać to zadanie, inżynierowie stworzyli specjalny algorytm. Zoptymalizowany algorytm przebiegu napięcia bramki pozwolił wzmacniaczowi działać z większą dokładnością. Algorytm był również kluczowy w zmniejszaniu zużycia energii i ciepła wytwarzanego przez urządzenie.

W przeciwieństwie do tradycyjnych wzmacniaczy, które działają stale, podejście impulsowe wymaga, aby urządzenie uruchamiało się w milisekundach. Inżynierowie dopracowali algorytm, aby wykonać to zadanie, zapewniając, że inteligentny wzmacniacz jest aktywowany wystarczająco szybko, aby nadążyć za odczytem kubitu.

Jak testowano inteligentny wzmacniacz

Inżynierowie poddali swój nowy inteligentny wzmacniacz kwantowy kilku testom, aby sprawdzić jego możliwości i parametry wydajności. Zespół rozpoczął od analizy ograniczeń wzmacniaczy w zakresie odzyskiwania sprawności. Test obejmował rejestrację szumów przejściowych urządzenia i pomiar wydajności.

Inżynierowie musieli upewnić się, że dekoherencja była minimalna podczas tych obliczeń. W związku z tym kazali urządzeniu wykonać kilka obliczeń wysokiego poziomu, rejestrując każdy szum wytwarzany podczas pracy systemu w pobliżu.

Dokładniej rzecz biorąc, zespół wykorzystał kriogeniczny system pomiaru szumu domeny czasu z rozdzielczością czasową 5 ns. Od tego momentu naukowcy poprawili dokładność, utrzymując odchylenie standardowe zmierzonego szumu (SD) poniżej 0.3 K.

Następny test mierzył szum w dziedzinie czasu i wydajność wzmocnienia w odpowiedzi na przebieg napięcia bramki kwadratowej. Była to jedna z najtrudniejszych części ich pracy, ponieważ kubity pulsują w nanosekundach, co sprawiało, że mierzenie czasu i rejestrowanie ich pojawienia się było trudnym zadaniem.

Na koniec zespół udokumentował przejściowe prądy drenu, co pozwoliło im obliczyć średnie zużycie energii przez inteligentny wzmacniacz impulsowy. System uwzględniał wszystkie wymagania dotyczące zasilania, w tym utratę mocy podczas operacji impulsowych.

Wyniki inteligentnego wzmacniacza: szybsze, chłodniejsze, lepsze

Wyniki testów inteligentnego wzmacniacza są imponujące w porównaniu z poprzednimi. Co ciekawe, badanie stanowi pierwszą udaną demonstrację niskoszumowych wzmacniaczy półprzewodnikowych do odczytu kwantowego w trybie impulsowym, otwierając drzwi dla przyszłych innowacji.

Co ciekawe, inżynierowie zmierzyli czas wzmacniacza, aby zobaczyć, jak szybko może on reagować na quebity. Urządzenie jest zmierzone na 35 nanosekund podczas pomiaru kubitów. Zauważyli również, że wzmacniacz wytwarzał znacznie mniej ciepła i zakłóceń podczas cyklu pracy, co skutkowało czystszym odbiorem sygnału.

Grupa udowodniła, że ​​ich podejście impulsowe zmniejszyło zużycie energii bez zmniejszenia wydajności. W przeszłości dodawanie wzmacniaczy powodowało, że system zużywał więcej energii. Dopiero gdy ci badacze poświęcili czas na zbadanie i stworzenie niezawodnego algorytmu impulsowego, wydajność wzmacniacza i zużycie energii mogły zostać pomyślnie odsprzęgnięte.

Główne zalety inteligentnego wzmacniacza

Inteligentny wzmacniacz oferuje długą listę korzyści rynkowi komputerów kwantowych. Po pierwsze, może okazać się kluczowy w rozwoju komputerów kwantowych o wysokiej wydajności i niskim poborze mocy. Systemy te zapewniłyby niezawodną i wydajną strukturę dla aplikacji na dużą skalę.

Zwiększona wrażliwość

Inteligentny wzmacniacz zapewnia dokładniejsze i bardziej czułe odczyty danych kubitowych dzięki swojej konstrukcji impulsowej. Algorytm zapewnia, że ​​urządzenie działa tylko wtedy, gdy kubity są aktywne. Jest to najczulszy wzmacniacz, jaki kiedykolwiek zbudowano przy użyciu tranzystorów, co stanowi ważny kamień milowy w sektorze komputerów kwantowych.

Wysoka wydajność

Projekt ten zapewnia również zaletę energooszczędności. Ta pulsacyjna konstrukcja zmniejsza średnie zużycie energii nawet o ~85–90% w porównaniu z pracą ciągłą. Ta wydajność jest kluczowa dla jej projektu, ponieważ protokoły AI, do których uruchomienia będą wykorzystywane komputery kwantowe, również wymagają dużej ilości energii do działania.

Niska produkcja ciepła

Kolejną zaletą inteligentnego wzmacniacza impulsowego jest to, że generuje on znacznie mniej ciepła niż jego poprzednicy. Nowe urządzenie pozwoli na mniejsze zużycie energii przez komory kriogeniczne, niezbędne komputerom kwantowym. Co więcej, otwiera ono drogę do zmniejszenia rozmiarów tych urządzeń i ich integracji z większą liczbą urządzeń w przyszłości.

Zastosowania w świecie rzeczywistym i harmonogram wdrażania

Istnieje długa lista rzeczywistych zastosowań dla wysoce wydajnych wzmacniaczy. Oczywistym zastosowaniem jest modernizacja komputerów kwantowych i pomoc w uczynieniu ich bardziej dostępnymi dla ogółu społeczeństwa. Już wkrótce centra danych komputerów kwantowych zaoferują masom zaawansowane możliwości obliczeniowe za pośrednictwem usług w chmurze. Od tego momentu technologia powinna ostatecznie stać się przystępna cenowo dla przeciętnego człowieka.

Może minąć +10 lat, zanim będziesz mógł korzystać z inteligentnego komputera kwantowego zasilanego wzmacniaczem. Nadal istnieje wiele ograniczeń kosztowych dla tych urządzeń, takich jak konieczność korzystania z komór kriogenicznych. Jednak w ciągu najbliższych 5 lat usługi komputerów kwantowych w chmurze zaczną zyskiwać na popularności.

Rozwój narkotyków

Komputery kwantowe napędzające zaawansowane algorytmy AI zrewolucjonizują dziedzinę medycyny. Systemy AI odgrywają już kluczową rolę w rozwoju leków i terapii. W nadchodzących latach wysokowydajne komputery kwantowe pomogą ulepszyć testowanie i tworzenie nowych leków bez użycia osób testowych.

Szyfrowanie

Sektor szyfrowania przejdzie duże zmiany, gdy komputery kwantowe wejdą do użytku. Urządzenia te będą miały wystarczającą moc, aby szybko zdziesiątkować wszelkie standardowe protokoły bezpieczeństwa oparte na komputerach. W związku z tym urządzenia te okażą się kluczowe w zabezpieczaniu przyszłych systemów komputerowych i zapobieganiu naruszeniom danych na dużą skalę lub włamaniom.

Zasilanie jutrzejszej sztucznej inteligencji

Najlepszym przypadkiem użycia inteligentnych wzmacniaczy jest tworzenie komputerów kwantowych do zasilania przyszłych systemów AI. Protokoły AI są tak dobre, jak ich zestawy danych i treningowe. Komputery kwantowe mogłyby wykorzystywać ogromne zestawy danych i uzyskiwać dostęp do zarchiwizowanych informacji z nich w rekordowym czasie. Takie podejście pozwoliłoby tym systemom przeprowadzać ogromne i złożone obliczenia w ciągu kilku sekund.

Logistyka

Sektor logistyczny to kolejna lokalizacja, w której komputery kwantowe mogłyby zabłysnąć. Rynek logistyczny reprezentuje biliony towarów podróżujących codziennie po całym świecie. Wprowadzenie urządzeń IoT (Internet of Things) i AI pomogło poprawić możliwość śledzenia.

Jednak systemy te nie są w stanie nadążyć za rosnącą liczbą czujników i innych danych wejściowych generowanych na każdym etapie podróży produktu. Komputery kwantowe mogłyby wspierać przyszłe systemy logistyczne, umożliwiając modernizację w czasie rzeczywistym w rozległych sieciach.

Naukowcy badający inteligentny wzmacniacz

Badanie nad inteligentnym wzmacniaczem zostało przeprowadzone przez zespół badaczy z Chalmers University of Technology w Szwecji. W badaniu wymieniono Yin Zeng i Maurizio Toselli jako głównych autorów pracy. Potwierdzają to również słowa wsparcia ze strony Jörgena Stenarsona, Petera Sobisa i Jana Grahna, profesora elektroniki mikrofalowej na Chalmers.

Projekt został dofinansowany ze środków programu Vinnova „Inteligentniejsze systemy elektroniczne” oraz Centrum Technologii Infrastruktury Bezprzewodowej Chalmers (WiTECH).

Badanie inteligentnego wzmacniacza przyszłości

Naukowcy widzą swoją pracę jako fundament przyszłych osiągnięć. Mają nadzieję kontynuować badania nad wzmacniaczami kubitowymi o wysokiej wydajności i starają się pracować nad tym, aby urządzenie było łatwiejsze do zintegrowania z przyszłymi układami scalonymi komputerów kwantowych.

Inwestowanie w komputery kwantowe

W branży komputerów kwantowych o tytuł rywalizuje kilku czołowych graczy. Firmy te zainwestowały miliony w tworzenie wysokowydajnych urządzeń, które mogą wykonywać obliczenia na poziomie, którego nie osiągnęłyby nawet superkomputery. Oto jedna firma, która wciąż dostarcza realne rozwiązania dla rynku.

Nvidia

Kiedy myślisz o Nvidii (NVDA ), prawdopodobnie masz wizje procesorów graficznych o dużym zapotrzebowaniu. Firma zapewniła sobie reputację wiodącego dostawcy tych urządzeń, które są kluczowe w operacjach grafiki high-end i kopania kryptowalut.

Większość ludzi nie wie, że Nvidia odgrywa również kluczową rolę na rynku komputerów kwantowych, dostarczając producentom sprzęt i usługi. Do najnowszych produktów firmy należy NVIDIA DGX Quantum.

Ten wysokowydajny system i architektura referencyjna zostały zaprojektowane specjalnie do obsługi obliczeń kwantowo-klasycznych. Produkt został zbudowany we współpracy z innym głównym konkurentem w sektorze, Quantum Machines.

Co ciekawe, Nvidia kontynuuje badania i rozwój Quantum Processing Units (QPU), starając się stać się rozwiązaniem sprzętowym dla przyszłych systemów. Jeśli firma będzie w stanie wykorzystać swoje pozycjonowanie i status pioniera. Może to doprowadzić do osiągnięcia przez firmę dominującej pozycji na rynku, podobnie jak w przypadku jej działań w sektorze kart graficznych.

Każdy, kto chce poznać sektory zaawansowanych technologii, takie jak sztuczna inteligencja, grafika, gry i komputery kwantowe, powinien bliżej przyjrzeć się firmie Nvidia. Firma zdobyła reputację dostawcy wysokiej jakości sprzętu. W przyszłości ma nadzieję zbudować infrastrukturę niezbędną do zasilania systemów obliczeniowych o wysokiej wydajności jutra.

Najnowsze wiadomości i wydarzenia dotyczące akcji Nvidia (NVDA)

Ostatnie przemyślenia: krok bliżej skalowalnej technologii kwantowej

Badanie nad inteligentnym wzmacniaczem przedstawiło niezawodny sposób na jeszcze szybsze działanie najpotężniejszych komputerów świata. Dodatkowo, urządzenie zmniejsza zużycie energii, dzięki czemu idealnie nadaje się do stosowania w zrównoważonych systemach. Wszystkie te czynniki sprawiają, że inteligentny wzmacniacz to przełomowy wynalazek, który może zapoczątkować nową erę ultrawydajnych komputerów.

Dowiedz się więcej o innych osiągnięciach w dziedzinie komputerów kwantowych w tym miejscu.

Przywoływane badania:

^{1. Zeng, Y., Stenarson, J., Sobis, P. i Grahn, J. (2025). Działanie impulsowego HEMT LNA do odczytu kubitów. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Wcześniejsza publikacja w Internecie. https://doi.org/10.1109/TMTT.2025.3556982}