Microsofts kvantemekanik

I 2012 annoncerede fysikere i Holland en opdagelse i partikelfysik, der begyndte at snakke om en Nobelpris. Inde i en lille stang af halvlederkrystal, der var kølet køligere end det ydre rum, havde de fået det første glimt af en mærkelig partikel kaldet Majorana-fermion, som endelig bekræftede en forudsigelse lavet i 1937. Det var et fremskridt, der tilsyneladende ikke var relateret til udfordringerne ved at sælge kontorproduktivitetssoftware eller konkurrerer med Amazon inden for cloud computing, men Craig Mundie, der dengang stod i spidsen for Microsofts teknologi- og forskningsstrategi, var henrykt. Den grove opdagelse - delvist underskrevet af Microsoft - var afgørende for et projekt hos virksomheden, der havde til formål at gøre det muligt at bygge uhyre kraftige computere, der knuser data ved hjælp af kvantefysik. Det var et afgørende øjeblik, siger Mundie. Denne forskning guidede os mod en måde at realisere et af disse systemer.

Microsoft er nu næsten et årti inde i det projekt og er lige begyndt at tale offentligt om det. Hvis det lykkes, kan verden ændre sig dramatisk. Siden fysikeren Richard Feynman første gang foreslog ideen om en kvantecomputer i 1982, har teoretikere bevist, at en sådan maskine kunne løse problemer, der ville tage de hurtigste konventionelle computere hundreder af millioner af år eller længere. Kvantecomputere kan for eksempel give forskere bedre værktøjer til at designe nye lægemidler eller supereffektive solceller. De kunne revolutionere kunstig intelligens.

Denne historie var en del af vores november 2014-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Fremskridtet hen imod det beregningsmæssige nirvana har været langsom, fordi ingen har været i stand til at lave en pålidelig nok version af den grundlæggende byggesten i en kvantecomputer: en kvantebit eller qubit, som bruger kvanteeffekter til at kode data. Akademiske og offentlige forskere og virksomhedslaboratorier hos IBM og Hewlett-Packard har alle bygget dem. Små tal er blevet koblet sammen, og de resulterende enheder bliver bedre. Men ingen kan kontrollere fysikken godt nok til, at disse qubits kan tjene som grundlag for en praktisk almen computer.

Microsoft har endnu ikke bygget en qubit. Men i den slags paradokser, der kan forventes inden for kvantefysikkens område, kan det også være tættere end nogen anden på at gøre kvantecomputere praktiske. Virksomheden er ved at udvikle en ny slags qubit, kendt som en topologisk qubit, hovedsageligt baseret på denne opdagelse i 2012 i Holland. Der er god grund til at tro, at dette design vil være immunt mod den flakhed, der plager eksisterende qubits. Det vil også være bedre egnet til masseproduktion. Det, vi gør, er analogt med at lægge ud med at lave den første transistor, siger Peter Lee, Microsofts forskningschef. Hans firma arbejder også på, hvordan kredsløbene i en computer lavet med topologiske qubits kan designes og kontrolleres. Og Microsoft-forskere, der arbejder på algoritmer til kvantecomputere, har vist, at en maskine, der kun består af hundredvis af qubits, kunne køre kemisimuleringer ud over kapaciteten af ​​enhver eksisterende supercomputer.

I løbet af det næste år eller deromkring vil fysiklaboratorier, der understøttes af Microsoft, begynde at teste vigtige dele af dets qubit-design efter en plan udviklet af et udendørs matematikgeni. Hvis disse test lykkes, kan en virksomhed, der i vid udstrækning antages at sidde fast i computerens fortid, frigøre sin fremtid.

Endnu fremmed: en fysiker ved de sagnomspundne, men falmede Bell Labs kan komme der først.

Bundet i knob

I et solrigt lokale 100 meter fra Stillehavet indrømmer Michael Freedman, initiativtageren og den tekniske bagmand til Microsofts projekt, at han følte sig mindreværdig. Når man begynder at tænke på kvanteberegning, indser man, at man selv er en slags klodset kemisk analog computer, siger han. Freedman, som er 63, er direktør for Station Q, Microsoft-forskningsgruppen, der leder bestræbelserne på at skabe en topologisk qubit, der arbejder fra et dusin eller deromkring kontorer på campus ved University of California, Santa Barbara. Fit og solbrændt har han støv på skoene fra at gå ned ad en strandsti til frokost.

Hvis hans sind er en klodset kemisk computer, er det en ekstraordinær. Et matematisk vidunderbarn, der kom ind i UC Berkeley i en alder af 16 og studerede to år senere, Freedman var 30, da han løste en version af et af de længstvarende problemer i matematik, Poincaré formodning . Han udarbejdede det uden at skrive noget ned og visualiserede forvrængningen af ​​firedimensionelle former i hans hoved. Jeg havde set mig igennem argumentationen, husker Freedman. Da han oversatte den indre vision til et 95-siders bevis, fik det Fields-medaljen, den højeste ære i matematik.

Det cementerede Freedmans stilling som et førende lys inden for topologi, disciplinen, der beskæftiger sig med egenskaber ved former, der ikke ændrer sig, når disse former forvrænges. (En gammel joke siger, at topologer ikke kan skelne en kaffekop fra en doughnut - begge er overflader, der er punkteret af et enkelt hul.) Men han blev draget ind i fysikken i 1988, efter at en kollega opdagede en sammenhæng mellem noget af matematikken, der beskriver topologi af knob og en teori, der forklarer visse kvantefænomener. Det var en smuk ting, siger Freedman. Han så straks, at denne forbindelse kunne tillade en maskine styret af den samme kvantefysik at løse problemer for hårdt for konventionelle computere. Uvidende om, at begrebet kvanteberegning allerede eksisterede, havde han selvstændigt genopfundet det.

Freedman blev ved med at arbejde på den idé, og i 1997 sluttede han sig til Microsofts forskningsgruppe om teoretisk matematik. Kort efter slog han sig sammen med en russisk teoretisk fysiker, Alexei Kitaev, som havde bevist, at en topologisk qubit dannet af den samme fysik kunne være meget mere pålidelig end qubits, som andre grupper byggede. Freedman begyndte til sidst at føle, at han var inde på noget, der fortjente opmærksomhed ud over hans sjældne verden af ​​dyb matematik og fysik. I 2004 dukkede han op på Craig Mundies kontor og annoncerede, at han så en måde at bygge en qubit på, der var pålidelig nok til at skalere op. Jeg endte med at lave et pitch, siger Freedman. Det så ud til, at hvis du ville begynde at bygge teknologien, så kunne du det.

Mundie købte den. Selvom Microsoft ikke havde forsøgt at udvikle kvantecomputere, vidste han om deres bemærkelsesværdige potentiale og de langsomme fremskridt, der var blevet gjort med at bygge dem. Jeg blev straks fascineret af tanken om, at der måske var en helt anden tilgang, siger han. En sådan form for computing ville sandsynligvis vise sig at være grundlaget for en transformation, der svarer til, hvad klassisk computing har gjort for planeten i de sidste 60 år. Han satte et forsøg på at skabe den topologiske qubit med en let nervøs Freedman ved roret. Aldrig i mit liv havde jeg selv bygget en transistorradio, siger Freedman.

Fjern drøm

På nogle måder ville en kvantecomputer ikke være så forskellig fra en konventionel. Begge omhandler bits af data repræsenteret i binær form. Og begge typer maskiner består af grundlæggende enheder, der repræsenterer bits ved at vende mellem forskellige tilstande som en switch. I en konventionel computer kan hver lille transistor på en chip enten vippes af for at angive en 0 eller på for en en . Men på grund af kvantefysikkens finurlige regler, som styrer stof og energi i ekstremt små skalaer, kan qubits udføre tricks, der gør dem overordentlig kraftige. En qubit kan gå ind i en kvantetilstand kendt som superposition, som reelt repræsenterer 0 og en på samme tid. Når først de er i en superpositionstilstand, kan qubits blive forbundet eller viklet ind på en måde, der betyder, at enhver operation, der påvirker én, øjeblikkeligt ændrer en andens skæbne. På grund af superposition og sammenfiltring kan en enkelt operation i en kvantecomputer udføre dele af en beregning, der ville tage mange, mange flere operationer for et tilsvarende antal almindelige bits. En kvantecomputer kan i det væsentlige udforske et stort antal mulige beregningsveje parallelt. For nogle typer problemer vokser en kvantecomputers fordel i forhold til en konventionel eksponentielt med mængden af ​​data, der skal knuses. Deres magt er stadig en forbløffelse for mig, siger Raymond Laflamme , administrerende direktør for Institute for Quantum Computing ved University of Waterloo i Ontario. De ændrer grundlaget for datalogi, og hvad vi mener med, hvad der er beregneligt.

I løbet af det næste år eller deromkring vil fysiklaboratorier understøttet af Microsoft begynde at teste dets qubit-design.

Men rene kvantetilstande er meget skrøbelige og kan kun observeres og kontrolleres under nøje udtænkte omstændigheder. For at en superposition skal være stabil, skal qubit'en være afskærmet fra tilsyneladende triviel støj, såsom tilfældige stød fra subatomære partikler eller svage elektriske felter fra nærliggende elektronik. De to bedste nuværende qubit-teknologier repræsenterer bits i de magnetiske egenskaber af individuelle ladede atomer fanget i magnetiske felter eller som den lille strøm inde i kredsløb af superledende metal. De kan bevare superpositioner i ikke længere end brøkdele af et sekund, før de kollapser i en proces kendt som dekohærens. Det største antal qubits, der er blevet betjent sammen, er kun syv.

Siden 2009 har Google testet en maskine, der er markedsført af opstarten D-Wave Systems som verdens første kommercielle kvantecomputer, og i 2013 købte den en version af maskinen, der har 512 qubits. Men disse qubits er forbundet til et kredsløb for en bestemt algoritme, hvilket begrænser rækken af ​​problemer, de kan arbejde på. Hvis det lykkes, ville denne tilgang skabe kvanteberegningsækvivalenten til en tang - et nyttigt værktøj, der kun er egnet til nogle opgaver. Den konventionelle tilgang, som Microsoft følger, tilbyder en fuldt programmerbar computer - svarende til en fuld værktøjskasse. Og desuden har uafhængige forskere ikke været i stand til at bekræfte, at D-Waves maskine virkelig fungerer som en kvantecomputer. Google startede for nylig sit eget hardwarelaboratorium for at forsøge at skabe en version af den teknologi, der leverer.

Søgen efter måder at bekæmpe dekohærens og de fejl, den introducerer i beregninger, er kommet til at dominere kvanteberegningsområdet. For at en qubit virkelig skal være skalerbar, vil den sandsynligvis kun skulle dekohere ved et uheld omkring én ud af en million operationer, siger Chris Monroe , professor ved University of Maryland og medleder af en kvantecomputerprojekt finansieret af Department of Defense og Intelligence Advanced Research Projects Activity. I dag dekoherer de bedste qubits typisk tusindvis af gange så ofte.

Microsofts Station Q har måske en bedre tilgang. Kvantestaterne, der lokkede Freedman ind i fysikken - som opstår, når elektroner er fanget i et plan inde i visse materialer - burde give den stabilitet, som en qubit-bygger higer efter, fordi de naturligt er døve for meget af den støj, der destabiliserer konventionelle qubits. Inde i disse materialer antager elektroner mærkelige egenskaber ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt og danner det, der er kendt som elektronvæsker. Elektronvæskernes kollektive kvanteegenskaber kan bruges til at betegne lidt. Designets elegance har sammen med bevillinger af kontanter, udstyr og computertid lokket nogle af verdens førende fysikforskere til at samarbejde med Microsoft. (Selskabet vil ikke sige, hvor stor en del af dets årlige R&D-udgifter på 11 milliarder USD, der går til projektet.)

Fangsten er, at fysikken forbliver ubevist. For at bruge elektronvæskernes kvanteegenskaber som bits, ville forskere være nødt til at manipulere visse partikler inde i dem, kendt som ikke-abelske anyoner, så de går rundt om hinanden. Og mens fysikere forventer, at der eksisterer ikke-abeliaske nogen, er ingen endelig blevet opdaget.

Majorana-partikler, den slags ikke-abelske nogen, som Station Q og dens samarbejdspartnere søger, er særligt undvigende. Først forudsagt af den tilbagetrukne italienske fysiker Ettore Majorana i 1937, ikke længe før han på mystisk vis forsvandt, har de betaget fysikere i årtier, fordi de har den unikke egenskab at være deres egne antipartikler, så hvis to nogensinde mødes, udsletter de hinanden lynhurtigt af energi.

Ingen havde rapporteret troværdige beviser for, at de eksisterede indtil 2012, hvor Leo Kouwenhoven ved Delft University of Technology i Holland, som havde fået finansiering og vejledning fra Microsoft, annoncerede, at han havde fundet dem inde i nanotråde lavet af halvlederen indiumantimonid. Han havde lokket den rigtige slags elektronvæske til eksistens ved at forbinde nanotråden til en luns superledende elektrode i den ene ende og en almindelig i den anden. Det tilbød den hidtil stærkeste støtte til Microsofts design. Fundet har givet os enorm tillid til, at vi virkelig er ved noget, siger Microsofts Lee. Kouwenhovens gruppe og andre laboratorier forsøger nu at forfine resultaterne af eksperimentet og vise, at partiklerne kan manipuleres. For at fremskynde fremskridtene og sætte scenen for mulig masseproduktion er Microsoft begyndt at arbejde sammen med industrivirksomheder for at sikre forsyninger af halvledernannotråde og den superledende elektronik, der ville være nødvendig for at kontrollere en topologisk qubit.

Til alt dette har Microsoft endnu ikke sin qubit. Der skal findes en måde at flytte Majorana-partikler rundt på hinanden i den operation, der er nødvendig for at skrive det, der svarer til 0 s og en s. Materialeforskere ved Niels Bohr Institutet i København har for nylig fundet en måde at bygge nanotråde med sidegrene på, som kunne tillade en partikel at dukke til siden, mens en anden passerer. Charlie Marcus, en forsker der, som har arbejdet med Microsoft siden dets første design, forbereder sig nu på at bygge et fungerende system med de nye ledninger. Jeg vil sige, at det kommer til at holde os beskæftiget det næste år, siger han.

Succes ville validere Microsofts qubit-design og sætte en stopper for de seneste forslag om, at Kouwenhoven måske ikke har opdaget Majorana-partiklen i 2012 trods alt. Men John Preskill, professor i teoretisk fysik ved Caltech, siger, at den topologiske qubit forbliver intet andet end en god teori. Jeg er meget glad for ideen, men efter nogle års seriøs indsats er der stadig ingen sikre beviser, siger han.

Bob Willetts kvantecomputerforskning på Bell Labs viser lovende.

Konkurrencefysik

Hos Bell Labs i New Jersey siger Bob Willett, at han har set beviserne. Han kigger hen over sine briller på et mat sort krystalrektangel på størrelse med en fingerspids. Den har håndloddede ledninger rundt om kanterne og fine zigzagger af aluminium på overfladen. Og midt på chippen, i et område mindre end en mikrometer på tværs, rapporterer Willett, at han opdager ikke-abelske nogen. Hvis han har ret, er Willett længere fremme end nogen, der arbejder med Microsoft. Og i sin serie af små, omhyggelige laboratorier forbereder han sig nu på at bygge det, der – hvis det virker – vil være verdens første topologiske qubit. Vi laver overgangen fra videnskaben til teknologien nu, siger han. Hans indsats har historiske ekkoer. Nede ad gangen fra hans laboratorier er en glasmontre med den første transistor indeni, lavet på dette sted i 1947.

Willetts enhed er en version af et design, som Microsoft for det meste har opgivet. På det tidspunkt, hvor virksomhedens projekt begyndte, havde Freedman og hans samarbejdspartnere bestemt, at det skulle være muligt at bygge en topologisk qubit ved hjælp af krystaller af ultrarent galliumarsenid, der fanger elektroner. Men i løbet af fire års eksperimenter fandt fysiklaboratorierne støttet af Microsoft ikke afgørende beviser for ikke-abiske nogen. Willett havde arbejdet med lignende fysik i årevis, og efter at have læst en artikel fra Freedman om designet besluttede han sig for selv at prøve. I en række artikler udgivet mellem 2009 og 2013, rapporterede han, at han fandt disse afgørende partikler i sine egne krystalbaserede enheder. Når en krystal afkøles med flydende helium til mindre end 1 Kelvin (−272,15 °C) og udsættes for et magnetfelt, dannes en elektronvæske i midten. Willett bruger elektroder til at strømme partiklerne rundt om dens kant; hvis de er ikke-abelske nogen, der løber rundt om deres modstykker i midten, skulle de ændre den topologiske tilstand af elektronvæsken som helhed. Han har offentliggjort resultater fra flere forskellige eksperimenter, hvor han så afslørende slingre, som teoretikere havde forudsagt, i strømmen af ​​disse strømmende partikler. Han er nu gået videre til at bygge et qubit-design. Det er ikke meget mere komplekst end hans første eksperiment: kun to af de samme kredsløb placeret ryg mod ryg på den samme krystal, med ekstra elektroder, der forbinder elektronvæsker og kan kode og udlæse kvantetilstande, der svarer til 0 s og en s.

Willett håber, at denne enhed vil dæmpe skepsis over for hans resultater, som ingen andre har været i stand til at gentage. Microsofts samarbejdspartner Charlie Marcus siger, at Willett så signaler, som vi ikke så. Willett påpeger, at Marcus og andre har gjort deres enheder for store og brugt krystaller med vigtige forskelle i deres egenskaber. Han siger, at han for nylig bekræftede det ved at teste nogle enheder lavet til de specifikationer, som andre forskere brugte. Efter at have arbejdet med de materialer, de arbejder med, kan jeg godt se, hvorfor de holdt op med det, for det er ondt, siger han.

En af de krystaller, som Willett siger, at han har detekteret topologiske qubits på.

Bell Labs, der nu ejes af det franske teleselskab Alcatel-Lucent, er mindre og fattigere, end det var dengang, da AT&T, uanfægtet som det amerikanske telefonmonopol, lod mange forskere gøre stort set alt, hvad de ønskede. Nogle af Willetts værelser har udsigt over den støvede, arrede jord, der blev tilbage, da en hel fløj af laboratoriet blev revet ned i år. Men med færre mennesker omkring end laboratorierne havde for længe siden, er det nemmere at få adgang til det udstyr, han har brug for, siger han. Og Alcatel er begyndt at investere mere i sit projekt. Willett plejede at arbejde sammen med kun tre andre fysikere, men for nylig begyndte han også at samarbejde med matematikere og optikeksperter. Bell Labs ledelse har spurgt om den slags problemer, der kan løses med et lille antal qubits. Det udvider sig til en forholdsvis stor indsats, siger han.

Willett ser sig selv som en akademisk kollega af Microsoft-forskerne snarere end en virksomhedskonkurrent, og han bliver stadig inviteret til Freedmans to gange årlige symposier, der bringer Microsoft-samarbejdspartnere og andre førende fysikere til Santa Barbara. Men Microsofts ledelse har været mere tydelig på de seneste møder, siger Willett, og han har nogle gange følt, at hans væsen fra en anden virksomhed gjorde tingene besværlige.

Det ville være mere end bare akavet, hvis Willett slog Microsoft for at bevise, at den idé, den har forkæmpet, kan fungere. For Microsoft at åbne en praktisk vej til kvanteberegning ville være overraskende. For de visne Bell Labs, ejet af et firma, der ikke engang er i computerbranchen, ville det være forbløffende.

Kvantekode

På Microsofts grønne campus i Redmond, Washington, arbejder tusindvis af softwareingeniører for at rette fejl og tilføje funktioner til Windows og Microsoft Office. Turister poserer i virksomhedens museum for billeder med en udskæring i naturlig størrelse af en Bill Gates fra 1978 og hans første ansatte. I hovedforskningsbygningen leder Krysta Svore et dusin mennesker, der arbejder med software til computere, som måske aldrig eksisterer. Holdet er ved at finde ud af, hvad den første generation af kvantecomputere kunne gøre for os.

Gruppen blev etableret, fordi selvom kvantecomputere ville være kraftfulde, kan de ikke løse alle problemer. Og kun en håndfuld kvantealgoritmer er blevet udviklet i detaljer nok til at antyde, at de kunne være praktiske på rigtig hardware. Quantum computing er muligvis meget forstyrrende, men vi er nødt til at forstå, hvor strømmen er, siger Svore.

Vi tror på, at der er en chance for at gøre noget, der kunne være grundlaget for en helt ny økonomi.

Ingen kvantecomputer vil nogensinde passe i din lomme, på grund af den måde, hvorpå qubits skal superkøles (medmindre, selvfølgelig, nogen bruger en kvantecomputer til at designe en bedre qubit). De ville snarere blive brugt som datacentre eller supercomputere til at drive tjenester over internettet eller til at løse problemer, der gør det muligt at forbedre andre teknologier. En lovende idé er at bruge kvantecomputere til superpowered kemi-simuleringer, der kan fremskynde fremskridt på store problemer inden for områder som sundhed eller energi. En kvantecomputer kunne simulere virkeligheden så præcist, at den kunne erstatte årevis af slingrende laboratoriearbejde, siger Svore. I dag er omkring en tredjedel af amerikansk supercomputertid dedikeret til simuleringer til kemi eller materialevidenskab, ifølge Department of Energy. Svores gruppe har udviklet en algoritme, der ville lade selv en førstegenerations kvantecomputer tackle meget mere komplekse problemer, såsom virtuelt at teste en katalysator til fjernelse af kuldioxid fra atmosfæren på kun timer eller minutter. Det er en potentiel dræberanvendelse af kvantecomputere, siger hun.

Men det er muligt at forestille sig utallige andre dræberapplikationer. Svores gruppe har produceret nogle af de første beviser på, at kvantecomputere kan bruges til maskinlæring, en teknologi, der bliver mere og mere central for Microsoft og dets rivaler. Nylige fremskridt inden for billed- og talegenkendelse har udløst et vanvid af ny forskning inden for kunstig intelligens. Men de er afhængige af klynger af tusindvis af computere, der arbejder sammen, og resultaterne halter stadig langt bagefter menneskelige muligheder. Kvantecomputere kan måske overvinde teknologiens begrænsninger.

Sådan arbejde hjælper med at forklare, hvordan den første virksomhed, der bygger en kvantecomputer, kan opnå en fordel, der er næsten hidtil uset i teknologiens historie. Vi tror på, at der er en chance for at gøre noget, der kan være grundlaget for en helt ny økonomi, siger Microsofts Peter Lee. Som du ville forvente, siger han og alle de andre, der arbejder på kvantehardware, at de er optimistiske. Men med så meget endnu at gøre, føles prisen lige så fjern som altid. Det er, som om qubit-teknologi er i en superposition mellem at ændre verden og dekohere til intet andet end en række obskure forskningsartikler. Det er den slags uoverskuelige, som folk, der arbejder med kvanteteknologi, skal håndtere hver dag. Men med et så stort udbytte, hvem kan bebrejde dem for at have slået det?

Denne historie blev opdateret den 10. oktober for at slette en fejlagtig henvisning til en buste af Thomas Edison.

skjule