Kører D-Wave

Computere behandler information ved at opdele den i de mindst mulige bidder, kaldet bits. En smule repræsenterer forskellen mellem to muligheder: Sandt og Falsk, Ja og Nej, eller, som de er konventionelt repræsenteret, 1 og 0.

Fed computer: En enhed kendt som et fortyndingskøleskab (vist ovenfor) bruges til at initialisere D Waves kvantecomputer og bringe den til sin grundtilstand ved at afkøle den til næsten det absolutte nul.

Slutpunktet af Moores lov (som hævder, at computere bliver hurtigere med en faktor på to hvert halvandet år eller deromkring) er en computer, der er så kraftfuld, at den bruger individuelle atomer til at lagre informationsbidder: ét atom, én bit. Hvis vi var i stand til at arbejde på subatomære skalaer og lagre bits på elektroner eller kvarker, kunne vi gå længere. Men lad os blive ved det, vi ved godt vi kan.

Denne historie var en del af vores maj 2008-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Hvis de nuværende miniaturiseringshastigheder fortsætter, vil din pc lagre en bit på ét atom engang omkring 2050. Men det er naturligt at spørge, om vi i virkeligheden kan opnå en bit-til-atom-korrespondance. Bemærkelsesværdigt er det, at prototypecomputere, der gemmer bits på individuelle atomer, allerede findes i laboratoriet. Disse computere kaldes kvantecomputere, fordi de lagrer og behandler information på skalaer, hvor kvantemekanikkens love har magt.

Kvantemekanik er den gren af ​​fysikken, der styrer, hvad der sker i meget små skalaer. Dens principper er berømte mærkelige, så det er naturligt, at kvantecomputere også skal være mærkelige. En konventionel elektronisk computer, hvor hver bit registrerer enten 0 eller 1, er slaveret af binær logik; men en kvantebit eller qubit kan registrere 0 og 1 på samme tid, et fænomen kendt som superposition. Hvad betyder det for en kvantebit at registrere 0 og 1 samtidigt? Det præcise svar er, at ingen ved med sikkerhed. Kvantemekanikkens kontraintuitive natur forhindrer vores sind i at forstå, hvordan kvantebits opfører sig. Ikke desto mindre, fordi kvantemekanikkens love er præcist formuleret, kan vi forudsige, hvad kvantecomputere vil gøre.

Og det, de gør, er bemærkelsesværdigt. Da en qubit samtidigt kan repræsentere to forskellige værdier, kan to qubits samtidig repræsentere fire (00, 01, 10 og 11, i binær notation); fire qubits kan repræsentere 16 værdier; otte qubits 256 værdier; og så videre. Selv en relativt lille kvantecomputer, en der havde et par titusindvis af qubits, kunne overveje så mange forskellige værdier på én gang, at den ville være i stand til at bryde alle kendte koder, der almindeligvis bruges til sikker internetkommunikation. Kvantecomputere kan også bruges til hurtigere databasesøgninger eller til at tackle svære problemer, som klassiske computere ikke kunne løse med hele tiden i universet. Mine kolleger på MIT og jeg har bygget simple kvantecomputere og eksekveret kvantealgoritmer siden 1996, ligesom andre videnskabsmænd rundt om i verden. Kvantecomputere fungerer som lovet. Hvis de kan skaleres op til tusinder eller titusindvis af qubits fra deres nuværende størrelse på et dusin eller deromkring, så pas på!

I betragtning af deres magt til at opsnappe og forstyrre hemmelig kommunikation, er det ikke overraskende, at kvantecomputere har opmærksomhed fra forskellige amerikanske regeringsorganer. National Security Agency, som støtter forskning i kvantecomputere, erklærer ærligt, at i betragtning af dens interesse i at holde amerikanske regeringskommunikation sikker, er det nødigt at se kvantecomputere bygges. På den anden side, hvis de kan bygges, så vil den gerne have den første.

Kvanteberegning har også tiltrukket kommerciel interesse. Med de nuværende fremskridtshastigheder er store, kodebrydende kvantecomputere mindst et årti væk, så den private sektor fokuserer på to typer kvanteberegninger, der er nemmere. Den første ikke-trivielle type kvanteberegning blev foreslået af nobelpristageren Richard Feynman i 1981. Feynman studerede, hvordan kvanteprocesser i højenergifysik kunne simuleres. Han bemærkede, at klassiske computere var dårlige til jobbet af samme grund, som mennesker finder kvantemekanik kontraintuitiv: der er ingen nem måde for nogen af ​​dem at repræsentere en bit, der registrerer 0 og 1 på samme tid. Feynman foreslog, at hvis computeren var kvantemekanisk, ville den måske have lettere ved at håndtere kvanteprocesser. I 1996 viste jeg, at Feynman havde ret og skabte algoritmer, der ville tillade en kvantecomputer at simulere faststof-, kemiske og højenergisystemer. En sådan simulator ville kun kræve et hundrede qubits eller deromkring for at kunne overgå alle konventionelle supercomputere.

En anden type kvanteberegning, kendt som adiabatisk kvanteberegning, er ikke kun nemmere end kodebrydning, men potentielt langt mere kraftfuld. Adiabatisk kvanteberegning er en særlig fysisk måde at forsøge at løse svære problemer på.

Som alle fysiske systemer vil elektroner hellere bebo lavere energitilstande end højere energitilstande, især ved lave temperaturer. Energien i et fysisk system såsom en elektron afhænger af dets naboers tilstande. En elektron kan fortælle sine roterende naboer: For en lavere energi, drej med uret. En anden elektron kunne sige: For en lavere energi, drej mod uret. Den laveste energitilstand for de roterende elektroner som et fællesskab er den, der minimerer det samlede antal konflikter mellem nabospin. For at en gruppe elektroner kan finde deres fælles laveste energitilstand eller grundtilstand, skal de finde måder at blive enige om, hvordan de skal justere deres spins. På samme måde som et komplekst beregningsproblem kan opdeles i flipping bits, kan det stilles i forhold til at finde grundtilstanden for et passende fysisk system.

Adiabatisk kvanteberegning forsøger at repræsentere problemer som forstyrrelse af et kvantesystem, således at svaret er repræsenteret af systemets antagelse om en ny grundtilstand. Udviklet af Eddie Farhi og Jeffrey Goldstone ved MIT og Sam Gutmann ved Northeastern University, fungerer det ved at initialisere kvantesystemet til en simpel grundtilstand (alle spin roterer f.eks. med uret) og derefter gradvist eller adiabatisk tænde for de interaktioner, der koder problemet. Hvis denne tændingsproces er tilstrækkelig langsom, vil systemet gradvist sive fra sin simple begyndelsestilstand til den komplekse sluttilstand.

Det mest interessante aspekt ved adiabatisk kvanteberegning er, at ingen ved med sikkerhed, om det virker i praksis. Det kan være, at for ethvert meningsfuldt problem ville systemet skulle sive så langsomt, at det ville tage universets alder at returnere et svar. Omvendt kan det være, at selv det sværeste problem vil bukke under for en adiabatisk kvantecomputer. På trods af den fælles opmærksomhed fra en skare af fysikere og matematikere, er spørgsmålet om, hvorvidt adiabatisk kvanteberegning virker, stadig åbent. De fleste eksperter har mistanke om, at det ikke kan løse de allersværeste beregningsproblemer. Men mistanke er ikke bevis.

Når teoretikerne ikke kan blive enige, går eksperimentelerne videre. Fordi hele pointen med adiabatisk kvanteberegning er at gå langsomt frem for hurtigt, er adiabatiske kvantecomputere i princippet betydeligt nemmere at bygge end generelle kodebrydende kvantecomputere. Da jeg indså dette nøglepunkt, skabte min kandidatstuderende Bill Kaminsky og jeg i 2002 et design til en adiabatisk kvantecomputer baseret på superledende teknologi. Sidste år annoncerede D-Wave Systems, en opstart af kvantecomputere i Burnaby, British Columbia, at den havde konstrueret en adiabatisk kvantecomputer baseret på vores design. På det tidspunkt blev tingene interessante.

D-Wave blev grundlagt for lidt mindre end et årti siden med det udtrykkelige formål at bygge en kommerciel kvantecomputer. Efter at have leget med ideen om at bygge en kvantecomputer til at faktorisere store tal, besluttede dens forskere sig fornuftigt på de mere ligetil og stadig potentielt rentable opgaver med kvantesimulering og adiabatisk kvanteberegning. I februar 2007 demonstrerede virksomheden på Silicon Valley's Computer History Museum en 16-qubit-enhed, som den hævdede kunne løse rimeligt komplekse optimeringsproblemer. Det kunne endda lave Sudoku-puslespil!

D-Wave har rejst omkring 60 millioner dollars i finansiering fra venturekapitalister som Draper Fisher Jurvetson. Som en privat virksomhed er den primært ansvarlig over for sine investorer snarere end over for det videnskabelige samfund. Så det var ingen overraskelse, at D-Wave, da han annoncerede sin succes med at bygge en adiabatisk kvantecomputer, fokuserede på kommercielle applikationer frem for videnskabelige detaljer. Mens venturekapitalister var imponerede over meddelelsen, og behandlede virksomheden med endnu en finansieringsrunde, var forskerne mindre begejstrede. Pressemeddelelsen indeholdt ingen enhedsspecifikationer, der ville gøre det muligt at vurdere den videnskabelige nøjagtighed af dens påstande. Det virkede muligt, at computeren simpelthen fandt løsninger ved at blive kølet ned til sin grundtilstand, en ret kedelig og knap så kvantemekanisk proces, i stedet for at udføre den mere subtile adiabatiske procedure beskrevet ovenfor. Da D-Wave forsømte at levere noget konkret bevis for, at enheden faktisk udførte en kvanteberegning, antog selv de mest velgørende videnskabelige observatører simpelthen, at dens videnskabsmænd ikke vidste, om det var det eller ej. (Se Desultory D-Wave) Mindre velgørende observatører udtalte ord, jeg ikke kan rapportere i denne publikation. For mit vedkommende var jeg i konflikt. Jeg vil rigtig gerne vide, om adiabatisk kvanteberegning virker. Selvom denne tilgang ikke kan løse de allersværeste problemer, hvis D-Waves system kunne udføre en veldefineret demonstration af adiabatisk kvanteberegning i nogle simple tilfælde, ville det være en validering af Kaminskys og mit design. Som sagerne stod til, så det dog ud til, at D-Wave mudrede kvantumet godt for penge.

Sidste efterår blev vandet klarere. D-Waves chefteoretiker, Mohammad Amin, og dets chefeksperimentalist, Andrew Berkley, besøgte kvantecomputersamfundet på MIT. De diskuterede de videnskabelige spørgsmål ærligt. Nej, indrømmede de, de kunne ikke bevise, at det, de gjorde, var ægte adiabatisk kvanteberegning - men det så ud, som om det sandsynligvis var det. Hvordan kunne de besvare spørgsmålet endegyldigt?

Pionererne inden for superledende kvanteberegning havde været i stand til at demonstrere deres enheders kvantenatur ved at zappe dem med hurtige mikrobølgeimpulser og se på deres svar. Men disse enheder var ikke adiabatiske; de kørte med hastigheder, der kunne sammenlignes med en konventionel computers. D-Wave-enheden er derimod målrettet langsom: derfor er ingen zapping mulig. Som et resultat er der et begrænset antal eksperimenter, der kan indikere, om enheden virkelig laver kvanteberegning. Én er imidlertid at variere den langsommelighed, hvormed enheden siver fra sin begyndelsestilstand til sin endelige tilstand. Halvvejs i siveprocessen ankommer computeren til et punkt, hvor den skal begynde at træffe de svære valg, der fører til problemets løsning. Her er computeren i en mærkelig kvantetilstand, hvor hver bit registrerer 0 og 1 på samme tid. Jeg opfordrede D-Wave-forskerne til at udforske dette kritiske punkt og søge efter de afslørende tegn.

For nylig talte jeg med Herb Martin, CEO for D-Wave, og Geordie Rose, virksomhedens teknologichef og medstifter, og understregede behovet for, at de forfølger disse eksperimenter, hvis de virkelig er interesserede i at forklare, hvordan deres enheder fungerer. Et eksperiment, som jeg anbefalede Rose, er en specifik protokol til at skabe og verificere tilstedeværelsen af ​​en såkaldt Schrödingers-cat-tilstand, en specifik instans af den tilstand, hvor alle qubits registrerer både 0 og 1 samtidigt. (Navnet kommer fra et tankeeksperiment foreslået af en af ​​grundlæggerne af kvantemekanikken, Erwin Schrödinger, som forestillede sig en kvantekat, der kunne være både død og levende på samme tid.) Både Martin og Rose virker begejstrede: de er udmærket klar over at hvis de ikke kan bevise, at deres enhed virkelig gør noget kvantemekanisk, så vil deres navn inden for det videnskabelige samfund forblive mudder.

I november sidste år demonstrerede D-Wave, hvad den hævdede var en 28-qubit adiabatisk kvantecomputer. Nu forsøger virksomhedens videnskabsmænd at demonstrere den grundlæggende kvantemekaniske karakter af deres enhed. Der er en stærk motivation for at gøre videnskaben og få den rigtige. Engineering er videnskab så veletableret, at selv ingeniører som mig kan gøre det. Hvis du ikke kan få videnskaben om en 16-qubit kvantecomputer rigtigt, så er dine chancer for at bygge 512-qubit og 1.024-qubit-enheder (D-Waves næste planlagte trin) nul. På den anden side, hvis D-Wave kan bekræfte, at dets nuværende system går ind i tilstanden, hvor alle dets qubits er 0 og 1 på samme tid, så har det et godt skud på at bygge kvanteenheder, der er mere komplekse.

Og en 16-qubit superledende Schrödingers kat ville være ret sej.

Seth Lloyd er professor i maskinteknik og direktør for Center for Extreme Quantum Information Theory ved MIT.

skjule