211service.com
Et kvanteboost til en anden slags computer
S. Debnath
Kvantecomputere, der er i stand til forbløffende beregninger, er endelig i horisonten. Men hvordan kommer de første brugbare maskiner til at se ud?
Industri heavy hitters inklusiv IBM , Google , microsoft , og Intel , samt et par startups som Computerafvisninger og Quantum Circuits Incorporated , gør alle støt fremskridt mod mere dygtige kvantecomputere ved at bruge superledende kredsløb, der er afkølet til ekstreme temperaturer.
I mellemtiden har to forskerhold vist, at en tilgang, der stort set ignoreres af industrien - ved at bruge fangede atomer til at udføre beregninger - kan skaleres op til et nyt kompleksitetsniveau og bruges til at udføre værdifuldt arbejde. De resulterende systemer er ikke universelle kvantecomputere, der er i stand til at udføre enhver beregning, men de antyder, at en atomær tilgang kan have mere potentiale end antaget. Arbejdet antyder også, at atomer i sidste ende kunne tilbyde en bedre måde at omdanne laboratoriesystemer til praktiske kvantecomputere i stor skala.
Den superledende tilgang har vist sig vellykket, delvist fordi de tekniske teknikker, der bruges til at fremstille siliciumkredsløb, er blevet finpudset i løbet af de sidste årtier (se 10 Breakthrough Technologies 2017: Practical Quantum Computers). Men det er muligt at bygge en kvantecomputer ved hjælp af en bred vifte af tilgange.
Relateret historie
Relateret historieI to papirer offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , et hold ved MIT og Harvard i Cambridge, Massachusetts, og et andet fra University of Maryland og National Institute of Standards i Washington DC, afslører, at de har bygget specialiserede typer kvanteberegnere, som hver især bruger mere end 50 qubits – ja ud over det, der tidligere er blevet påvist. I begge tilfælde skabte forskerne kvantesimulatorer, maskiner, der er i stand til at bruge analoge beregninger til at modellere, hvordan kvantepartikler interagerer.
De to systemer bruger begge atomer, men fungerer på forskellige måder. MIT-Harvard-systemet håndterer 51 qubits ved at bruge lasere til at fange neutrale atomer i en exciteret tilstand. Maryland-NIST-maskinen, som håndterer 53 qubits, fanger ytterbium-ioner på plads ved hjælp af guldbelagte elektroder. Sammen antyder de, at en alternativ tilgang til at bygge kvantemaskiner måske alligevel har potentialet til at udfordre den, industrien forfølger.
Selvom vores system endnu ikke udgør en universel kvantecomputer, kan vi effektivt programmere den ved at kontrollere interaktionerne mellem qubits, siger Mikhail Lukin , en fysiker ved Harvard, der udviklede et af systemerne i samarbejde med Vladan Vuletic at MIT.
Will Zeng, en forsker ved Rigetti Computing, en virksomhed, der har modtaget titusindvis af millioner i venture-finansiering for at forfølge kvantecomputere, siger, at kvantesimulering i denne skala er et vigtigt skridt. Faktisk var simulering af kvanteeffekter det oprindelige formål med en kvantecomputer foreslog af fysiker Richard Feynman for mere end 40 år siden. Nu er forskerne i stand til at vise noget af det potentiale, der ligger i kvantecomputere, så resultaterne er spændende, siger han.
Kvantecomputere fungerer på en fundamentalt anderledes måde end konventionelle computere. Mens en normal computer tager binære bits af information, kodet som enten en eller 0 , og udfører beregninger på dem efter hinanden, udnytter en kvantecomputer to kontraintuitive træk ved kvantemekanismen - sammenfiltring og superposition - til at udføre beregninger parallelt. Som et resultat kan den beregne med store mængder information på langt kortere tid. Adskillige dusin kvantebits kan udføre beregninger på milliarder af informationsstykker i ét trin.
Teknologien forblev en drøm blandt fysikere i årevis, men den har uden tvivl et enormt potentiale. Spændingen vokser nu om endelig at bygge maskiner, der kan udføre nyttigt arbejde.
Benchmark på 50 qubit er betydningsfuldt, fordi omkring det tidspunkt bliver kvantemaskiner i stand til at udføre beregninger, der ville være svære, hvis ikke umulige, at køre på selv den mest enorme supercomputer, der findes. Nogle videnskabsmænd omtaler dette som kvanteoverherredømme (se Google afslører en plan for kvanteoverhøjhed og IBM hæver barren med en 50-Qubit kvantecomputer). Både IBM og Google udvikler superledende kvantecomputere til generelle formål, der er i stand til at bruge omkring det samme antal qubits.
Måske mere væsentligt, qubits i de nye atomare systemer kan være bedre egnede til at opskalere, siger Chris Monroe , professor ved University of Maryland og hovedforfatter på et af papirerne. Qubits i solid state-systemer er ikke identiske, hvilket betyder, at et system skal kalibreres omhyggeligt, og det kan være vanskeligt, efterhånden som størrelsen af en maskine vokser. I modsætning hertil er qubits lavet ved hjælp af atomer, selvom de er sværere at kontrollere, identiske og behøver ingen tuning. Atomer er på en måde den perfekte qubit, siger Monroe. Han tilføjer, at atomsystemer kan vise sig lettere at omkonfigurere, hvilket gør dem mere egnede til at tackle en bredere vifte af problemer.
Det betyder ikke, at det vil være nemt for alle at bygge større, mere praktiske kvantesystemer. Vi tror, vi kan gå til omkring tusinde kvantebits på en ligetil måde, men situationen er mindre klar ud over det, siger Vuletic.
Lige så vigtigt får vi kun hints om, hvor nyttige kvantecomputere virkelig vil være. I en skelsættende undersøgelse offentliggjort i september brugte et hold hos IBM en kvantecomputer, kaldet IBM Q, til at simulere strukturen af berylliumhydrid, det mest komplekse molekyle, der nogensinde er analyseret på denne måde.
Vi ved nok ikke, hvad disse maskiner er i stand til, før mange flere ingeniører og programmører får fingrene i dem. Vi begynder at bevæge os ud over fysikkens æra til kvanteteknologi, siger UMDs Monroe.