Você sabia quando um engenheiro construiu o primeiro autômato artificial-a primeira máquina fabricada pelo homem que operava por si só, sem mecanismos de controle externo que alteraram o comportamento da máquina ao longo do tempo à medida que a máquina empreendeu sua missão?
O antigo pensador grego Archytas de Tarentum o criou cerca de 2.300 anos atrás. Steam impulsionou seu pombo mecânico pelo ar.
Durante séculos, os autômatos surgiram aqui e ali como curiosidades e entretenimento. Os ricos exibiram autômatos para divertir e admirar seus colegas e subordinados. Por exemplo, o engenheiro francês Jacques de Vauconson construiu um pato mecânico que parecia comer e depois expulsar grãos. O dispositivo ganhou o apelido do pato digerido … e o apelido do pato defecador.
Vauconson também inventou um tear mecânico que ajudou a promover a revolução industrial. Durante os séculos 18 e 19, os autômatos começaram a permitir fábricas, o que mudou a face da civilização. Herdamos as opções dessa mudança. Atualmente, os carros dirigem -se, peças de quarto limpas e drones entregam pacotes.1 Os autômatos se formaram de brinquedos a ferramentas práticas.2
Em vez disso, os autômatos clássicos têm. E seus colegas quânticos?
Os cientistas projetaram máquinas quânticas autônomas e os experimentalistas começaram a perceber. A lista de tais máquinas inclui motores quânticos autônomos, geladeiras e relógios. Grande parte desta pesquisa se enquadra no alcance da termodinâmica quântica, devido aos papéis desempenhados pela energia no funcionamento dessas máquinas: acima, eu defini um autômato como uma máquina livre de controle dependente do tempo (exercido por um usuário). Equivalentemente, de acordo com uma mentalidade termodinâmica, podemos definir um autômato como uma máquina na qual nenhum usuário executa nenhum trabalho conforme a máquina opera. O trabalho termodinâmico é uma energia bem ordenada que pode ser aproveitada diretamente para executar uma tarefa útil. Freqüentemente, em vez de receber trabalho, um autômato recebe acesso a um ambiente quente e um ambiente frio. O calor flui do quente para o frio e o autômato transforma um pouco do calor em trabalho.
Automatos quânticos me atraem porque a termodinâmica quântica tem poucas aplicações práticas, pois eu reclamei meu submit anterior no weblog. A termodinâmica quântica ajudou a iluminar a natureza do universo, e elogiei tais idéias fundamentais. No entanto, podemos progredir além da elogios tentando aproveitar essas idéias nas aplicações. Algumas máquinas térmicas quânticas – baterias, motores, and many others. – podem superar suas contrapartes clássicas, de acordo com certas métricas. Mas controlar essas máquinas e mantê -las frias o suficiente para se comportarem mecanicamente, custa recursos substanciais. As máquinas custam mais do que valem. Os autômatos quânticos, exigindo pouco controle, oferecem esperança de praticidade.
Para ilustrar essa esperança, meu grupo fez uma parceria com o laboratório de Simone Gasparinetti na Universidade de Chalmer, na Suécia. Os experimentalistas criaram um refrigerador quântico autônomo de qubits supercondutores. A geladeira quântica pode Ajude a redefinir ou “limpar” um computador quântico entre os cálculos.
A concepção do artista do chip autônomo-refrigerador. Crédito: Chalmers Universidade de Tecnologia/Boid AB/NIST.
Depois que escrevemos o papel da geladeira, os colaboradores e eu levantamos nossas cabeças e espiamos um pouco mais longe. O que a construção de uma máquina quântica autônoma útil leva, geralmente? Colaboradores e eu estabelecemos diretrizes em uma “revisão de questões -chave” publicado em Relatórios em andamento na física Em novembro passado.
Baseamos nossas diretrizes nos critérios da DiVincenzo para computação quântica. Em 1996, David Divincenzo publicou sete critérios que qualquer plataforma, ou configuração, deve se reunir para servir como um computador quântico. Ele lançou cinco dos critérios conforme necessário e dois critérios, relacionados à transmissão de informações, como opcionais. Da mesma forma, nossa equipe fornece dez critérios para a construção de autômatos quânticos úteis. Consideramos oito dos critérios conforme necessário, pelo menos normalmente. As duas diretrizes opcionais finais governam a transmissão de informações e o transporte de máquinas.
Controle externo dependente do tempo
Divincenzo ilustrou seus critérios com várias possíveis plataformas de computação quântica, como íons. Da mesma forma, ilustramos nossos critérios de duas maneiras. Primeiro, mostramos como diferentes autômatos quânticos – motivos, relógios, circuitos quânticos and many others. – podem satisfazer os critérios. Segundo, ilustramos como os autômatos quânticos podem consistir em diferentes plataformas: átomos ultracold, qubits supercondutores, moléculas e assim por diante.
A natureza sugeriu algumas dessas plataformas. Por exemplo, nossos olhos contêm transdutores de energia quântica autônomos chamados fotoisômeros ou interruptores moleculares. Suponha que essa molécula absorva um fóton. A molécula pode usar a energia do fóton para alternar a configuração. Essa troca desencadeia reações químicas e neurológicas que resultam na impressão da visão. Portanto, o interruptor quântico transduz energia da luz para energia mecânica, química e elétrica.
Fotoisômero. (Imagem de Todd Cahill, de Quantum steampunk.)
Meu favorito de nossos critérios está entre as condições necessárias: todos os autômatos quânticos úteis devem produzir saída no valor da entrada. Como se quantifica o valor e o custo de uma máquina depende da máquina e do usuário. Por exemplo, um agente que usa um mecanismo quântico pode se preocupar com a eficiência, energia ou eficiência do motor na potência máxima. Os custos podem incluir a energia necessária para resfriar o motor ao regime quântico, bem como o controle necessário para inicializar o motor. O agente também escolhe qual valor eles consideram um limite aceitável para a saída produzida por entrada de unidade. Gosto desse critério porque aplica uma vassoura ao pó de que os termodinâmicos quânticos costumam nos esconder debaixo de um tapete: os custos quânticos das máquinas térmicas. Vamos começar a criar motores quânticos que realizam mais trabalho do que precisam operar.
Pode -se objetar que cientistas e engenheiros já estão suando por máquinas quânticas não autônomas. Empresas, governos e universidades estão despejando bilhões de dólares em computação quântica. Construir um computador quântico em larga escala por gancho ou por Criminal, independentemente do controle clássico, está custando o suficiente. A eliminação do controle dependente do tempo parece ainda mais difícil. Por que se preocupar?
Amigo Fronteiras quânticas blogueiro John Preskill apontou uma resposta, quando descrevi meu novo programa de pesquisa para ele em 2022: os sistemas de controle são clássicos – grande e quente. Considerar Qubits supercondutores– Circuitos quânticos pequenos – impressos em um chip quadrado sobre o tamanho da sua mão. Um fio de controle termina em cada qubit. O restante do fio sai da borda do chip, estendendo -se ao {hardware} clássico nas proximidades. Pode -se caber apenas tantos fios no chip, para que se possa encaixar apenas tantos qubits. Além disso, os fios, sendo clássicos, são mais quentes do que os qubits deveriam ser. Os fios podem ajudar a descrever os circuitos, introduzindo erros nas informações quânticas que eles armazenam. Quanto mais podemos libertar os qubits do controle externo – mais autonomia podemos conceder a eles – melhor.
Além disso, os autômatos quânticos exemplificam Quantum steampunkcomo meu co -autor Pauli Erker observou. Eu me chutei depois que ele fez, porque perdi a conexão. A ironia period tão grossa que você poderia cortá -la com a faca de aço retrátil presa a um braço robótico de um vilão de swashbuckling. Apenas dois anos antes, eu lia O relojoeiro da rua filigreepor Natasha Polley. O romance apresenta um expatriado de Londres do Meiji Japan, chamado Mori, que constrói dispositivos de relógio. O mais cativante é um polvo semelhante a um animal de estimação, chamado Katsu, que percorre a oficina de Mori e as meias.
O mundo precisa de uma versão quântica do Katsu? Não fora da ficção quântica-Steampunk … ainda. Mas uma garota pode sonhar. E os autômatos quânticos agora têm a oportunidade de colocar a termodinâmica quântica funcionar.
1E entregar pizzas. Enquanto visitava a Universidade de Pittsburgh há alguns anos, fiquei surpreso ao saber que os robôs correndo pelas ruas estavam servindo estudantes famintos.
