ในขณะที่ qubits ตัวนำยิ่งยวดได้รับความสนใจมากที่สุด บาคาร่า จากยักษ์ใหญ่อย่าง IBM และ Google แต่ผู้ที่ตกอับที่ใช้วิธีต่างๆ อาจผ่านบริษัทเหล่านี้ไปได้ในที่สุด ศักยภาพที่พุ่งพรวดอย่างหนึ่งคือ Chris Monroe ผู้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้ไอออน
บนทางเดินใกล้กับที่ทำงานของเขาในวิทยาเขตของมหาวิทยาลัยแมรีแลนด์ในคอลเลจพาร์ค แบนเนอร์ที่มีภาพเหมือนของมอนโรที่ใหญ่กว่าชีวิตประดับประดารั้ว ข้อความ: คอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Monroe เป็น “ความคิดที่กล้าหาญ” แบนเนอร์นี้เป็นส่วนหนึ่งของแคมเปญโฆษณาที่มีนักวิจัยของมหาวิทยาลัยหลายคน แต่ดูเหมือนว่า Monroe จะเป็นทางเลือกที่เหมาะสม เนื่องจากงานวิจัยของเขาทำให้แนวโน้มในการทำงานกับ qubits ตัวนำยิ่งยวด
มอนโรและคณะนักวิจัยกลุ่มเล็กๆ ของเขาจัดเรียงไอออนเป็นแนวเรียบร้อย
จัดการพวกมันด้วยเลเซอร์ ในบทความที่ตีพิมพ์ในNatureในปี 2559 มอนโรและเพื่อนร่วมงานได้เปิดตัวคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาด 5 คิวบิต ซึ่งทำจากอิตเทอร์เบียมไอออนซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณควอนตัมต่างๆ ได้ คอมพิวเตอร์ 32-ion กำลังทำงานอยู่ เขากล่าว
ห้องทดลองของมอนโร—เขามีห้องแล็บอยู่ครึ่งโหล—ไม่เหมือนกับห้องแล็บที่ปกติแล้วจะเกี่ยวข้องกับคอมพิวเตอร์ โต๊ะมีเลนส์และกระจกที่เลอะเทอะอยู่รอบๆ ห้องสุญญากาศที่มีไอออน เช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์ของ IBM แม้ว่าแพ็คเกจทั้งหมดจะเทอะทะ แต่ส่วนควอนตัมนั้นมีขนาดเล็ก: สายโซ่ของไอออนมีความกว้างเพียงร้อยในหนึ่งมิลลิเมตร
นักวิทยาศาสตร์ในแว่นตาเลเซอร์มักจะทำการติดตั้งทั้งหมด ลักษณะภายนอกของอุปกรณ์อธิบายว่าทำไมเทคโนโลยีไอออนสำหรับการคำนวณควอนตัมยังไม่ถูกถอดออก Monroe กล่าว ดังนั้นเขาและเพื่อนร่วมงานจึงจัดการเรื่องต่างๆ ด้วยตนเอง โดยสร้างบริษัทสตาร์ทอัพชื่อ IonQ ซึ่งวางแผนจะปรับแต่งคอมพิวเตอร์ไอออนเพื่อให้ทำงานด้วยได้ง่ายขึ้น
มอนโรชี้ให้เห็นข้อดีบางประการของเทคโนโลยีของเขา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไอออนประเภทเดียวกันจะเหมือนกัน ในระบบอื่น ความแตกต่างเล็กน้อยระหว่าง qubits อาจทำให้การทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมแย่ลง เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพิ่มขึ้น Monroe กล่าวว่าจะมีค่าใช้จ่ายสูงสำหรับความแตกต่างเล็กน้อยเหล่านั้น “การมี qubits ที่เหมือนกันมากกว่าล้านตัวจะมีความสำคัญจริงๆ”
ในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อเดือนมีนาคมในProceedings of the National Academy of Sciencesมอนโรและเพื่อนร่วมงานได้เปรียบเทียบคอมพิวเตอร์ควอนตัมกับ Quantum Experience ของ IBM คอมพิวเตอร์ไอออนดำเนินการช้ากว่าตัวนำยิ่งยวดของ IBM แต่ได้ประโยชน์จากการเชื่อมต่อระหว่างกันมากขึ้น — ไอออนแต่ละตัวสามารถพันกับไอออนอื่น ๆ ได้ ในขณะที่ qubit ของ IBM สามารถพันกันได้กับ qubits ที่อยู่ติดกันเท่านั้น การเชื่อมต่อระหว่างกันนั้นหมายความว่าสามารถคำนวณได้ในขั้นตอนที่น้อยลง ช่วยชดเชยความเร็วในการทำงานที่ช้าลง และลดโอกาสสำหรับข้อผิดพลาดให้เหลือน้อยที่สุด
การสมัครล่วงหน้า
คอมพิวเตอร์เช่น Monroe ยังห่างไกลจากการปลดล็อกพลังเต็มของการคำนวณควอนตัม ในการทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์จะต้องแก้ไขข้อผิดพลาดที่หลุดเข้าไปในการคำนวณ แก้ไขปัญหาได้ทันทีโดยกระจายข้อมูลออกไปในหลาย qubits น่าเสียดายที่การแก้ไขข้อผิดพลาดดังกล่าวจะเพิ่มจำนวน qubits ที่ต้องการด้วยปัจจัย 10, 100 หรือหลักพัน ขึ้นอยู่กับคุณภาพของ qubits คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แก้ไขข้อผิดพลาดอย่างสมบูรณ์จะต้องใช้ qubits นับล้าน นั่นยังอีกยาวไกล
ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงกำลังร่างปัญหาง่ายๆ บางอย่างที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเจาะลึกเข้าไปได้โดยไม่มีการแก้ไขข้อผิดพลาด การประยุกต์ใช้ในช่วงต้นที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งคือการศึกษาเคมีของโมเลกุลขนาดเล็กหรือปฏิกิริยาง่าย ๆ โดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อจำลองกลศาสตร์ควอนตัมของระบบเคมี ในปี 2016 นักวิทยาศาสตร์จาก Google, Harvard University และสถาบันอื่นๆ ได้ทำการจำลองควอนตัมของโมเลกุลไฮโดรเจนดังกล่าว ไฮโดรเจนได้ถูกจำลองด้วยคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกแล้วซึ่งให้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน แต่โมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้นอาจตามมาเมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพิ่มขึ้น
เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แก้ไขข้อผิดพลาดปรากฏขึ้น นักฟิสิกส์ควอนตัมหลายคนก็จับตาดูปัญหาทางเคมีอย่างหนึ่งโดยเฉพาะ นั่นคือ การทำปุ๋ย แม้ว่าจะดูเหมือนเป็นภารกิจที่ไม่น่าเป็นไปได้สำหรับนักฟิสิกส์ควอนตัม แต่งานนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงเกมของคอมพิวเตอร์ควอนตัม
กระบวนการของ Haber-Bosch ซึ่งใช้ในการผลิตปุ๋ยที่อุดมด้วยไนโตรเจนนั้นใช้พลังงานอย่างมหาศาล ซึ่งต้องใช้อุณหภูมิและแรงกดดันสูง กระบวนการซึ่งจำเป็นสำหรับการทำฟาร์มสมัยใหม่นั้นใช้พลังงานประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานทั้งหมดของโลก อาจจะมีวิธีที่ดีกว่า แบคทีเรียที่ตรึงไนโตรเจนจะดึงไนโตรเจนออกจากอากาศได้อย่างง่ายดายด้วยเอนไซม์ไนโตรเจนเนส คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถช่วยจำลองเอ็นไซม์นี้และเผยให้เห็นคุณสมบัติของเอ็นไซม์ บางทีอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ “ออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อปรับปรุงปฏิกิริยาการตรึงไนโตรเจน ทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น และประหยัดพลังงานของโลก” Svore ของ Microsoft กล่าว “นั่นคือสิ่งที่เราต้องการทำบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม และสำหรับปัญหานั้น ดูเหมือนว่าเราจะต้องแก้ไขข้อผิดพลาด” บาคาร่า / ลายสัก
