211service.com
Kemikere er først i køen for fordelene ved Quantum Computing
Daniel Zender
I denne måned sagde IBM og Google begge, at de sigter mod at kommercialisere kvantecomputere inden for de næste par år (Google specificerede fem), og sælger adgang til de eksotiske maskiner i en ny slags cloud-tjeneste. Konkurrenterne forudser en ny æra, hvor computere er enormt mere kraftfulde, med udbytte, herunder mere effektiv routing for logistik- og kortvirksomheder, nye former for maskinlæring, bedre produktanbefalinger og forbedrede diagnostiske tests.
Men før noget af det, ser den første kvantecomputer, der begynder at betale sig med nyttigt arbejde i den virkelige verden, til at gøre det ved at hjælpe kemikere, der forsøger at gøre ting som at forbedre batterier eller elektronik. Indtil videre er simulering af molekyler og reaktioner brugen af tidlige, små kvantecomputere, som er skitseret mest detaljeret af forskere, der udvikler den nye slags algoritmer, der er nødvendige for sådanne maskiner.
Kvantecomputere, som repræsenterer data ved hjælp af kvantemekaniske effekter, der er synlige i små skalaer, burde være i stand til at udføre beregninger, der er umulige for enhver konventionel computer. Nylige fremskridt inden for hardware, der kan bruges til at bygge dem, har ført til en byge af investeringer fra virksomheder, herunder Microsoft, Intel, Google og IBM (se 10 Breakthrough Technologies 2017: Practical Quantum Computers).
Ud fra synspunktet om, hvad der er teoretisk bevist, er kemien foran, siger Scott Crowder, teknologichef for IBM-divisionen, der i dag sælger hardware, herunder supercomputere og håber at tilføje cloud-hostede kvantecomputere til sin produktlinje i den næste få år. Vi har mere tillid til de mindre systemer til kemi.
Forskere har længe brugt simuleringer af molekyler og kemiske reaktioner til at hjælpe forskning i ting som nye materialer, lægemidler eller industrielle katalysatorer. Taktikken kan reducere tid brugt på fysiske eksperimenter og videnskabelige blindgyder, og den tegner sig for en betydelig del af arbejdsbyrden på verdens supercomputere.
Alligevel er udbyttet begrænset, fordi selv de mest kraftfulde supercomputere ikke perfekt kan genskabe al den komplekse kvanteadfærd af atomer og elektroner i selv relativt små molekyler, siger Alan Aspuru-Guzik , en kemiprofessor ved Harvard. Han ser frem til den dag, simuleringer på kvantecomputere kan fremskynde hans forskergruppes bestræbelser på at finde nye lysemitterende molekyler til for eksempel skærme og batterier, der egner sig til energilagring i netskala.
Lige nu er vi nødt til at kalibrere konstant med eksperimentelle data, siger Aspuru-Guzik, der var banebrydende for metoder til at simulere molekyler på kvantecomputere. Noget af det forsvinder, hvis vi har en kvantecomputer.
Simulering af de kvanteeffekter, der former molekylære strukturer og reaktioner, er et naturligt problem for kvantecomputere, fordi deres kraft kommer fra indkodning af data til de samme udfordrende kvantetilstande. Komponenterne, der udgør kvantecomputere, kendt som qubits, kan bruge kvantemekaniske processer til at tage beregningsgenveje, der er umulige for en konventionel maskine. (Det canadiske firma D-Wave tilbyder allerede en chip med kvanteegenskaber til industrielle og akademiske forskere, men det er ikke klart, om enheden tilbyder de fordele, der forventes af kvantecomputere.)
Microsoft satser på en mindre moden form for kvantehardware end IBM og Google (se Microsofts kvantemekanik), men den har en af de mest avancerede bestræbelser på at udvikle praktiske kvantealgoritmer. Kemi og materialevidenskab er blandt dets primære fokusområder. Gruppens forskere har for nylig forsøgt at vise, hvordan hybridsystemer, hvor en konventionel computer og en lille kvantecomputer arbejder sammen, kunne simulere kemi.
Det har store løfter for at studere molekyler, siger Krysta Svore , der leder Microsofts gruppe, der arbejder med kvantealgoritmer. At lede efter nye, praktiske superledende materialer er en mulig anvendelse af hybridmodellen, der ikke burde kræve meget store kvantecomputere, siger hun. Konventionelle computere kæmper for at replikere elektronernes kvanteadfærd, der understøtter superledning.
Når – eller hvis – det kommer, burde tidlig succes inden for kemi love godt for kvantecomputernes fremtid. Deres potentiale for at studere molekyler er blot en manifestation af deres flair for, hvad dataloger kalder optimeringsproblemer, som involverer at identificere den bedst mulige løsning fra mange alternativer. Det kan betyde den mest stabile konfiguration af et atoms elektroner eller den mest effektive leveringsrute omkring en by.
I dag kan kemi-simuleringer være den type praktiske optimeringsproblem, som forskere bedst forstår, hvordan man stiller til en kvantecomputer, siger Chris Monroe , professor ved University of Maryland og medstifter af quantum computing startup IonQ. Men der sker fremskridt med at forstå andre anvendelser af kvantedrevet optimering, såsom maskinlæring, og der burde være mange flere.
Svore fra Microsoft mener, at maskinlæringsapplikationer kunne komme relativt hurtigt. I mellemtiden er brud på kryptering, selvom det er en ægte trussel, en af teknologiens fjerntliggende anvendelser, fordi de involverede algoritmer ville kræve en ekstremt stor kvanteprocessor.
Monroe sammenligner det nuværende øjeblik inden for kvanteberegning med transistorens tidligste dage, som havde sin første gennembrudssucces inden for høreapparater, før han gik videre til større ting.
De forestillede sig ikke, at man kunne få 50 milliarder på en chip og lave alle de her andre ting, siger han. Vi er sådan set på høreapparatstadiet, hvor vi forstår nogle få meget specifikke applikationer og er nødt til at blive ved med at udforske.