Google afslører Blueprint for Quantum Supremacy

Det store løfte ved kvanteberegning er evnen til at udføre beregninger af forbløffende kompleksitet, der er langt ud over konventionelle computeres muligheder. Fysikere har længe vidst, at en kvantecomputer med kun 50 qubits kunne udkonkurrere selv verdens mest kraftfulde supercomputere.

Men at overgå grænserne for konventionel databehandling – at opnå kvanteoverherredømme, som fysikere kalder det – har vist sig at være sværere end alle havde forventet. Kvantetilstande er sarte objekter - nys og de forsvinder. På grund af dette er fysikere blevet fastlåst af den praktiske udfordring med at isolere kvantecomputere og deres kvantebehandlingsmaskineri fra omverdenen. Som et resultat synes kvanteoverherredømme så langt væk som nogensinde.

Men der kan være en anden måde at demonstrere kvanteoverherredømme på, som ikke kræver en generel kvantecomputer, der kan køre forskellige kvantealgoritmer. I stedet er fysikere begyndt at lege med kvantesystemer, der kun kan én ting. Hvis de kan vise, at denne ene ting er uden for enhver konventionel computers evne, så vil de have demonstreret kvanteoverherredømme for første gang. Men hvordan det kan gøres er langt fra klart.

I dag siger Charles Neill ved University of California Santa Barbara og Pedram Roushan hos Google, at de ved, hvordan kvanteoverherredømme kan opnås, og har med succes demonstreret en proof-of-principle-version af maskinen for første gang. Arbejdet rejser udsigten til, at den første demonstration af kvanteoverherredømme kan være blot måneder.

Først lidt baggrund. Den store fordel ved qubits i forhold til almindelige bits er, at de kan eksistere i en superposition af tilstande. Så mens en almindelig bit kan være enten en 1 eller en 0, kan en qubit være både en 1 og 0 på samme tid.

Det betyder, at to qubits kan repræsentere fire tal på samme tid, tre qubits kan repræsentere otte tal, og ni qubits, 512 tal samtidigt. Med andre ord, deres kapacitet øges eksponentielt.

Derfor skal der ikke mange qubits til at overgå konventionelle computere. Kun 50 qubits kan repræsentere 10.000.000.000.000.000 tal. En klassisk computer ville kræve en petabyte-skala hukommelse for at gemme dette nummer.

Så en måde at opnå kvanteoverherredømme på er at skabe et system, der kan understøtte 49 qubits i en superposition af stater. Dette system behøver ikke at udføre nogen komplekse beregninger - det skal bare være i stand til at udforske hele rummet af en 49-qubit superposition pålideligt. Så Neill og Roushans mål er at skabe en 49-qubit superposition.

Det er lettere sagt end gjort. Men det arbejde, de annoncerer i dag, er en demonstration af principperne.

Deres tilgang er ligetil. Qubits er kvanteobjekter, der kan eksistere i to tilstande på samme tid, og der er mange måder at lave dem på. For eksempel kan fotoner polariseres både lodret og vandret på samme tid, atomkerner kan spinde med deres akse både op og ned på samme tid, elektroner kan bevæge sig ad to veje på samme tid. Fysikere eksperimenterer med alle disse systemer til kvanteberegning.

Neill og Roushan har dog valgt en anden rute. Deres kvantesystem er en superledende qubit. Dette er i det væsentlige en løkke af metal, der er afkølet til lav temperatur. Indstil en strøm, der flyder gennem denne sløjfe, og den vil flyde for evigt - et kvantefænomen kendt som superledning.

Men denne kvantenatur fører til et pænt trick: strømmen kan flyde i den ene retning og i den anden på samme tid. Og det er det, der tillader den at fungere som en qubit, der samtidigt kan repræsentere både 0 og 1.

Den store fordel ved superledende qubits er, at de er relativt nemme at kontrollere og måle. De kan også knyttes til hinanden, når flere løkker sidder ved siden af ​​hinanden på en chip. Denne sammenkædning af naboer er sværere og kræver endnu et trick.

Strømmen i den ene eller den anden retning er kun en lavenergikonfiguration. Læg mere energi ind, og andre tilstande er også mulige. Det er disse højere energitilstande, der kan interagere med hinanden og skabe større superpositioner. På denne måde kan nabosløjfer dele den samme, meget mere komplekse tilstand.

Det proof-of-princip-eksperiment, som Neill og Roushan og co har udført, er at lave en chip med ni nabosløjfer og vise, at de superledende qubits, de understøtter, kan repræsentere 512 tal samtidigt.

Det er ikke i nærheden af ​​antallet af qubits, der kræves for kvanteoverherredømme, men eksperimentet giver opmuntrende hints om, at dette vil være muligt.

Den store frygt blandt fysikere er, at det ikke kun er tallene, men også fejl, der stiger eksponentielt i disse kvantesystemer. Hvis fejlene stiger for hurtigt, vil de oversvømme systemet, hvilket gør kvanteoverherredømme umulig.

Nøgleresultatet fra dette eksperiment er at vise, at fejlene ikke skaleres hurtigt i disse superledende chips. I stedet viste holdet, at fejlene øges langsomt på en måde, der skulle tillade en meningsfuld superposition på op til 60 qubits. Disse resultater giver lovende beviser for, at kvanteoverherredømme kan opnås ved hjælp af eksisterende teknologi, siger forskerne.

Det er interessant arbejde. Det tyder klart på, at kvanteoverherredømme burde være muligt med en chip, der rummer 50 superledende sløjfer i stedet for kun ni. At lave sådan en chip burde være ligetil - det er faktisk svært at forestille sig, at holdet ikke er ved at lave en lige nu.

Men der er en vigtig advarsel. En 50-qubit-chip vil kun være mulig, hvis fejlene fortsætter med at skalere på den måde, holdet har vist. Og det rejser et vigtigt spørgsmål. Holdet har vist, hvordan fejl skaleres, når antallet af qubits stiger fra fem til ni. Men vil fejlene skalere på samme måde som qubits stige fra ni til 50?

Hvis ikke, er kvanteoverherredømmet stadig langt væk. Men hvis de gør det, vil dette hold håbe på at hævde kvanteoverherredømme i de kommende måneder.

Så det er et spørgsmål, som Neill, Roushan og co vil arbejde hårdt på at besvare lige nu. Vi ser frem til at rapportere deres resultater.

Ref: arxiv.org/abs/1709.06678 : En plan for at demonstrere kvanteoverlegenhed med superledende qubits

skjule