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Os computadores mais frios do mundo

Imagine que os EUA estejam sob ataque. Uma aeronave inimiga, carregada com ogivas, está se dirigindo para a costa, entrando e saindo do radar. Aviões de combate foram embaralhados e há um esforço frenético para localizar o alvo.

Mas a melhor defesa do país não é um porta-aviões ou um sistema de mísseis. É uma caixa de átomos incrivelmente frios.

"Use o computador quântico", grita um general. Os átomos dentro do computador podem resolver problemas complexos e, quase que instantaneamente, fornecer uma instrução sobre como reconfigurar um conjunto de radar para que a aeronave inimiga possa ser rastreada e direcionada.

Uma empresa que já está enfrentando um cenário como esse é a ColdQuanta. Recentemente, ela assinou um contrato com a agência de pesquisa de defesa dos Estados Unidos, Darpa, para construir um computador quântico que possa descobrir a melhor forma de reposicionar o equipamento de radar no caso de uma falha parcial do sistema de defesa.

O projeto depende da capacidade de reunir átomos suficientes como qubits - os blocos de construção de um computador quântico, que permitem a realização de cálculos.

Para fazer isso, os átomos precisam estar extremamente frios, tornando esses computadores os mais frios do mundo.

A computação quântica é muito exagerada, mas a tecnologia ainda está em sua infância. As empresas estão apenas começando a criar sistemas que, um dia, superarão os computadores digitais tradicionais em determinadas tarefas úteis.

"O que nos pedem para os próximos 40 meses é poder ter uma máquina com milhares de qubits para resolver um problema relacionado à defesa do mundo real, e o que estamos trabalhando é uma versão desse radar problema de cobertura ", explica Bo Ewald, executivo-chefe da ColdQuanta, com sede no Colorado.

O exemplo acima é um problema de otimização, um cenário para o qual pode haver milhares ou milhões de soluções possíveis. A chave é escolher o melhor.

Além de aplicações militares, os computadores quânticos podem ter usos no design de medicamentos, estratégias de investimento, quebra de criptografia e problemas complexos de programação para grandes frotas de veículos.

Ewald diz que é aqui que os computadores quânticos terão seu impacto inicial - na busca de soluções ideais para problemas que levariam os computadores existentes, mesmo os supercomputadores mais rápidos, a resolver muitas horas ou dias.

Existem vários tipos de computadores quânticos em desenvolvimento, mas a abordagem usando átomos neutros ultra-frios como qubits é incomum - é diferente dos computadores quânticos supercondutores que estão sendo desenvolvidos por grandes empresas como IBM e Google ou outros projetos que usam átomos carregados também. conhecidos como íons.

Os computadores quânticos supercondutores não usam átomos individuais como qubits e, embora esses sistemas dependam de baixas temperaturas, eles não são tão baixos quanto os necessários para os átomos neutros do ColdQuanta.

"O pessoal supercondutor está rodando em millikelvin ... estamos reduzidos a microkelvin", explica ele, orgulhoso.

Kelvin é uma medida de temperatura. Zero Kelvin, zero absoluto (-273.15C) é o mais frio que alguma vez poderia ser.

E, embora o milikelvin esteja frio, a 0,001 kelvin, os átomos de microkelvin do ColdQuanta são muito mais frios - a aproximadamente 0,000001 kelvin. Ambos são significativamente mais frios, na verdade, do que qualquer lugar que conhecemos no universo natural.

No caso da ColdQuanta, os átomos de rubídio são reunidos dentro de um vácuo dentro de uma pequena caixa de vidro hexagonal ou retangular, com cerca de uma polegada de largura, uma polegada de profundidade e duas de altura. Os átomos são mantidos no ar puramente por lasers.

Mas por que a temperatura é tão importante? Andrew Daley, da Universidade de Strathclyde, diz que é crucial poder manipular os átomos e mantê-los no lugar.

Os lasers brilhantes nos átomos solicitam que eles liberem um pouco de energia e diminuam a velocidade. Isso torna possível mantê-los quase perfeitamente imóveis, que é o ponto real aqui. Eles não são frios no sentido em que você ou eu conceberíamos o frio - eles são muito mais lentos.

Depois de conseguir seus patos - átomos - em uma fileira, você pode organizá-los exatamente como quiser, diz o professor Daley. Esse controle refinado sobre os átomos significa que eles podem ser colocados em formações bidimensionais ou tridimensionais, agrupadas próximas umas das outras no coração de um computador quântico. Isso é importante porque, a cada átomo adicional, os recursos do computador são dobrados.

Produzir cada átomo neutro com mais um laser os excita, aumentando consideravelmente seu tamanho. Esses ajustes codificam informações ou vinculam os átomos através de um fenômeno estranho chamado emaranhamento. Agora você tem uma coleção de qubits funcionando juntos como um sistema que você pode ajustar para representar um modelo matemático ou problema de algum tipo.

Surpreendentemente, o usuário de um computador quântico poderia, em teoria, programar esse sistema para simular um grande número de possibilidades ao mesmo tempo. Não é como um computador tradicional processando muitos cálculos em paralelo, é mais estranho e menos previsível do que isso, e obter uma resposta útil no final é complicado.

"O que você quer é que o estado quântico no final represente a resposta para o problema que você está tentando resolver", diz Jonathan Pritchard, colega do professor Daley em Strathclyde. O computador quântico deve acabar favorecendo um estado específico ou uma resposta específica para um problema.

Para o problema certo, isso poderia nos aproximar muito mais de uma resposta ideal, mais rápida e eficientemente do que um computador tradicional.

"Ainda estamos esperando uma demonstração de uma tarefa de computação em que possamos provar que essas máquinas fizeram algo além do que você pode fazer em um computador clássico - por algo que é realmente útil", diz o professor Daley.

Illustration of atoms

A empresa francesa Pasqal está construindo um sistema de protótipo, baseado em princípios semelhantes aos do ColdQuanta.

O sistema de Pasqal é para a gigante energética EDF, que, se funcionar, vai chegar a horários supereficientes para carregar veículos elétricos. Especificamente, o objetivo é minimizar o tempo total necessário para completar o carregamento de todos os veículos e, ao mesmo tempo, priorizar alguns veículos mais importantes em detrimento de outros.

Esse tipo de problema pode ser resolvido por um computador tradicional, admite Christophe Jurczak, presidente, mas ele argumenta que um sistema quântico acabará sendo significativamente mais rápido, fazendo-o em uma hora em vez de 24 horas, por exemplo.

"Não parece tão grande, mas se você deseja atualizar sua estratégia a cada hora, isso faz uma grande diferença", diz ele. E pode usar 100 vezes menos eletricidade que um supercomputador no processo.

No momento, tudo isso precisa ser demonstrado para valer. Mas há sinais de que nos próximos anos - mais rápido do que o esperado - descobriremos o quão útil é essa espécie de computador desconcertantemente frio.