Nøglen til mere kraftfulde kvantecomputere kunne være at bygge dem som Legos

Aluminiumsmoduler fra Quantum Circuits. Udlånt af Quantum Circuits

Besøg ethvert opstarts- eller universitetslaboratorium, hvor kvantecomputere bliver bygget, og det er som at gå ind i en tidslomme til 1960'erne - mainframe-computerens storhedstid, hvor små hære af teknikere betjente maskiner, der kunne fylde hele rum.

Al slags udstyr, fra supernøjagtige lasere til superkølede køleskabe, er nødvendig for at udnytte kvantemekanikkens eksotiske kræfter til opgaven med at behandle data. Kabler, der forbinder forskellige dele af gear, danner flerfarvet spaghetti, der løber ud over gulve og løber hen over lofter. Fysikere og ingeniører myldrer rundt i bredder af skærme og overvåger og justerer konstant computernes ydeevne.

Mainframes indvarslede informationsrevolutionen, og håbet er, at kvantecomputere også vil vise sig at skifte spil. Deres enorme processorkraft lover at overgå selv de mest dygtige konventionelle supercomputere og potentielt levere fremskridt inden for alt fra lægemiddelopdagelse til materialevidenskab og kunstig intelligens.

Den store udfordring, som den begyndende industri står over for, er at skabe maskiner, der kan skaleres op både pålideligt og relativt billigt. Det er svært at generere og administrere de kvantebits, eller qubits, der bærer information i computerne. Selv de mindste vibrationer eller ændringer i temperatur - fænomener kendt som støj i kvantejargon - kan få qubits til at miste deres skrøbelige kvantetilstand. Og når det sker, sniger der sig fejl ind i beregninger.

Det mest almindelige svar har været at skabe kvantecomputere med så mange qubits som muligt på en enkelt chip. Hvis nogle qubits udløses forkert, kan andre, der har kopier af informationen, kaldes til backup af algoritmer udviklet til at opdage og minimere fejl. Strategien, som er blevet forkæmpet af store virksomheder som IBM og Google, såvel som af højprofilerede startups som Rigetti Computing, har affødt komplekse maskiner, der minder om disse rumstore mainframes.

Problemet er, at fejlraterne er ekstreme. Dagens største chips har færre end hundrede qubits, men tusinder eller endda titusinder kan være nødvendige for at producere det samme resultat som en enkelt fejlfri qubit. Hver qubit har brug for sin egen styreledning, så jo flere der tilføjes, jo mere kompleks bliver et system at styre. Der vil også være behov for mere udstyr til at overvåge og administrere hurtigt voksende qubit-antal. Det kan øge kompleksiteten og omkostningerne ved computerne dramatisk, hvilket begrænser deres tiltrækningskraft.

Robert Schoelkopf, professor ved Yale, mener, at der er en bedre vej frem. I stedet for at forsøge at proppe stadig flere qubits på en enkelt chip, udvikler Quantum Circuits, en startup, han var med til at stifte i 2017, hvad der svarer til mini kvantemaskiner. Disse kan netværkes sammen via specialiserede grænseflader, lidt ligesom meget højteknologiske legoklodser. Schoelkopf siger, at denne tilgang hjælper med at producere lavere fejlfrekvenser, så færre qubits - og derfor mindre understøttende hardware - vil være nødvendige for at skabe kraftfulde kvantemaskiner.

Robert Schoelkopf i laboratoriet på Quantum Circuits' New Haven-kontor. Julie Bidwell

Skeptikere påpeger, at i modsætning til rivaler som IBM, har Quantum Circuits endnu ikke offentligt afsløret en fungerende computer. Men hvis det kan levere en, der lever op til Schoelkopfs påstande, kan det hjælpe med at bringe kvantecomputere ud af laboratorier og ind i den kommercielle verden meget hurtigere.

Drevet til at skabe længerevarende qubits

Ideen om at bolte mindre kvantebyggeklodser sammen for at skabe større computere har eksisteret i årevis, men den er aldrig helt fanget. Der har ikke været en fantastisk, fejltolerant maskine, der endnu er blevet bygget ved hjælp af den modulære tilgang, forklarer Jerry Chow, der leder det eksperimentelle kvantecomputerteam hos IBM Research. Alligevel, tilføjer Chow, hvis nogen kan klare det, vil det være Schoelkopf og hans kolleger.

Efter uddannelse som ingeniør og fysiker, herunder ophold hos NASA og Caltech, sluttede Schoelkopf sig til Yales fakultet i 1998 og begyndte at arbejde med kvanteberegning. Han og hans kolleger var pionerer i brugen af ​​superledende kredsløb på en chip til at skabe qubits. Ved at pumpe elektrisk strøm gennem specialiserede mikrochips, der holdes inde i køleskabe, der er koldere end dybt rum, er de i stand til at lokke partikler ind i de kvantetilstande, der er nøglen til computernes enorme kraft.

I modsætning til bits i almindelige computere, som er strømme af elektriske eller optiske impulser, der repræsenterer enten en en eller a 0 , qubits er subatomære partikler såsom fotoner eller elektroner, der kan være i en slags kombination af begge en og 0 - et fænomen kendt som superposition. Qubits kan også blive viklet ind i hinanden, hvilket betyder, at en ændring i ens tilstand øjeblikkeligt kan ændre andres tilstand, selv når der ikke er nogen fysisk forbindelse mellem dem.

Et vakuumsystem, der bruges til at skabe superledende kredsløb. Julie Bidwell

Der er mere baggrund om dette i vores kvantecomputerforklaring. Det vigtigste at vide er dog, at dette tillader qubits at fungere, som om de udfører mange beregninger samtidigt, som en almindelig computer skal udføre sekventielt. Hvilket betyder, at tilføjelse af yderligere qubits til en kvantemaskine øger dens behandlingskapacitet eksponentielt.

Schoelkopf har også vundet ros for sit arbejde med problemet med støj. Sammenhængstiderne for qubits - det vil sige hvor længe de kan køre beregninger, før støj forstyrrer deres sarte kvantetilstand - er blevet forbedret med en faktor på 10 omtrent hvert tredje år. (Forskere har døbt denne trend Schoelkopfs lov i et nik til klassisk computers Moores lov, som hævder, at antallet af transistorer på en siliciumchip fordobles omtrent hvert andet år.) Brendan Dickinson fra Canaan Partners, en af ​​Quantum Circuits' investorer, siger Schoelkopf's imponerende track record i superledende qubits er en af ​​hovedårsagerne til, at det besluttede sig for at støtte virksomheden, som har rejst $18 millioner indtil videre.

Ironisk nok er nogle af de studerende, der er vejledt af Schoelkopf og hans medstiftere fra Yale, Michel Devoret og Luigi Frunzio, nu hos virksomheder som IBM og Rigetti, der konkurrerer med deres startup. Schoelkopf er tydeligvis stolt af den kvantediaspora, der er kommet ud af Yale-laboratoriet. Han fortalte mig, at han for et par år siden havde set på alle de organisationer rundt om i verden, der arbejdede med superledende qubits, og fundet ud af, at mere end halvdelen af ​​dem blev drevet af folk, der havde brugt tid der. Men han mener også, at der er sat en slags gruppetænkning ind.

Fordelene ved modulære maskiner

De fleste forskere, der arbejder på superledende maskiner, fokuserer på at skabe så mange qubits som muligt på en enkelt chip. Quantum Circuits' tilgang er meget forskellig fra den standard. Kernen i dets system er et lille aluminiumsmodul, der indeholder superledende kredsløb, der er lavet på silicium- eller safirchips. Hvert modul indeholder, hvad der svarer til fem til 10 qubits.

For at netværke disse moduler sammen til større computere, bruger virksomheden, hvad der lyder som noget ud af Star Trek -kvanteteleportation. Det er en metode, der er udviklet til at sende data på tværs af ting som telekommunikationsnetværk. Den grundlæggende idé involverer at vikle en mikrobølgefoton ind i et modul med en foton i et andet og derefter bruge forbindelsen mellem dem som en bro til overførsel af data. (Vi har også en kvanteteleporteringsforklaring.) Quantum Circuits har brugt denne tilgang til at teleportere en kvanteversion af en logisk gate mellem dets moduler.

Schoelkopf siger, at der er flere grunde til, at netværksmoduler sammen er bedre end at proppe så mange qubits som muligt på en enkelt chip. Den mindre skala af hver enhed gør det lettere at styre systemet og anvende fejlkorrektionsteknikker. Desuden, hvis nogle qubits går galt i et individuelt modul, kan enheden fjernes eller isoleres uden at påvirke andre, der er forbundet med den; hvis de alle er på en enkelt chip, skal det hele muligvis skrottes.

En wafer, der bruges til at skabe qubits i Quantum Circuits' computere. Julie Bidwell

Ser vi fremad, vil Quantum Circuits' modulære maskiner stadig have brug for noget af det samme udstyr som rivaliserende, inklusive superkøleskabe og overvågningsudstyr. Men efterhånden som de skaleres, burde de ikke kræve i nærheden af ​​den samme slags kontrolledninger og andre tilbehør, der er nødvendige for at mestre individuelle qubits. Så selvom rivaliserende enheder kunne ligne de massive tidlige mainframes mere og mere, skulle opstartsmaskinerne forblive beslægtet med de slankemaskiner, der fremstod som konventionel computer, der var avanceret ind i 1970'erne og frem.

Da jeg lyttede til Schoelkopf tale gennem teknologien, sneg der sig et billede ind i mit hoved: mine børn legede med legoklodser i plastik, da de var unge, og boltede dem sammen for at bygge slotte og forter.

Da jeg foreslog sammenligningen, var Schoelkopf først lidt forsigtig, men blev så ret begejstret. Generelt er enhver kompleks enhed, jeg kender, baseret på at have det, der svarer til legoklodser, og du definerer grænsefladerne, og hvordan de passer sammen …[Lego-klodser] er virkelig billige. De kan masseproduceres. Og de slutter altid sammen på den rigtige måde.

Schoelkopfs kvantemoduler har en anden vigtig fordel. Hver indeholder et tredimensionelt hulrum, der fanger et antal mikrobølgefotoner. Disse danner det, der er kendt som qudits, og de er ligesom qubits, bortset fra at de gemmer mere information. Mens en qubit repræsenterer en kombination af en og 0 , en qudit kan eksistere i mere end to tilstande – f.eks. 0 , en , og to på samme tid. Kvantecomputere med qudits kan knaske igennem endnu mere information på samme tid.

Videnskabsmænd har eksperimenteret med qudits i nogen tid, men de er vanskelige at generere og kontrollere. Schoelkopf siger, at Quantum Circuits har fundet måder til konsekvent at skabe højkvalitetskredsløb og til at reducere fejl betydeligt. (Virksomheden hævder, at det har opnået kohærenstider ved at bruge dets hulrum, der er ti til 100 gange længere end for superledende qubits, hvilket gør det lettere at rette fejl.) Nogle qubits er stadig nødvendige for at udføre operationer på qudits og for at udtrække information fra dem , men hans tilgang kræver færre af disse qubits. Det betyder til gengæld, at der generelt er behov for mindre hardware.

Quantum computing er et vidt åbent felt

Interiør i et Quantum Circuits-fortyndingskøleskab. Udlånt af Quantum Circuits

Quantum Circuits’ tilgang lyder overbevisende, men Schoelkopf nægter at sige præcis, hvornår virksomheden vil løfte sløret for en fuldt fungerende computer. Han vil heller ikke oplyse, hvor mange qubits og qudits hans team har formået at få til at arbejde sammen i alt.

Jo længere tid det tager, jo mere risikerer hans startup at blive overskygget af sine rivaler. IBM og Rigetti giver allerede virksomheder og forskere adgang til deres kvantecomputere via computerskyen, og det forlyder, at Google er tæt på at være den første til at opnå kvanteoverherredømme - eller det punkt, hvor en kvantecomputer kan udføre en opgave uden for rækkevidde af selv den mest kraftfulde konventionelle supercomputer.

Schoelkopf siger, at organisationer, der ønsker at afprøve algoritmer på Quantum Circuits' system, vil være i stand til at gøre det meget snart, og at det på et tidspunkt vil forbinde maskiner til skyen, som IBM og Rigetti har gjort. Opstarten er ikke kun at bygge computere; det arbejder også på software, der vil hjælpe brugerne med at få mest muligt ud af den underliggende hardware.

Desuden er det tidlige dage. De kvantealgoritmer, der køres på cloud-tjenester som IBMs i dag, er stadig ret grundlæggende, bemærker Schoelkopf. Feltet er vidt åbent for kvantecomputere og tilhørende software, der virkelig kan gøre en forskel på en lang række områder, fra turboladning af kunstig intelligens til modellering af molekyler for kemikere.

Der er mange spørgsmål tilbage. Vil Quantum Circuits være i stand til at blive ved med at producere robuste qubits og qudits, når det bygger meget større maskiner? Kan den få sin kvanteteleporteringsmetode til at fungere pålideligt, da den forbinder flere moduler sammen? Og vil dets systemer, når de udrulles til salg, være mere omkostningseffektive at betjene end konkurrenternes? Væsentlige fysik- og ingeniørmæssige udfordringer venter stadig. Men hvis Schoelkopf og hans kolleger kan overvinde dem, kan de bevise, at nøglen til at blive meget stor inden for kvantecomputere er at tænke småt.

skjule