Seriøse kvantecomputere er her endelig. Hvad skal vi med dem?

Jeremy Liebman

Inde i et lille laboratorium i et frodigt landskab omkring 50 miles nord for New York City, dingler et omfattende virvar af rør og elektronik fra loftet. Dette rod af udstyr er en computer. Ikke en hvilken som helst computer, men en på grænsen til at bestå, hvad der måske kan gå ned som en af ​​de vigtigste milepæle i feltets historie.

Kvantecomputere lover at køre beregninger langt uden for rækkevidde af enhver konventionel supercomputer. De kan revolutionere opdagelsen af ​​nye materialer ved at gøre det muligt at simulere stoffets adfærd ned til atomniveau. Eller de kunne hæve kryptografi og sikkerhed ved at knække ellers uovervindelige koder. Der er endda håb om, at de vil overlade kunstig intelligens ved at knaske gennem data mere effektivt.

Denne historie var en del af vores marts 2018-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Men først nu, efter årtiers gradvise fremskridt, er forskere endelig tæt på at bygge kvantecomputere, der er kraftige nok til at gøre ting, som konventionelle computere ikke kan. Det er et skelsættende noget teatralsk døbt kvanteoverherredømme. Google har ført an mod denne milepæl, mens Intel og Microsoft også har en betydelig kvanteindsats. Og så er der velfinansierede startups, herunder Rigetti Computing, IonQ og Quantum Circuits.

Naturen er kvante, for fanden! Så hvis vi vil simulere det, har vi brug for en kvantecomputer.

Ingen anden udfordrer kan dog matche IBMs stamtavle på dette område. For 50 år siden producerede virksomheden fremskridt inden for materialevidenskab, der lagde grundlaget for computerrevolutionen. Derfor befandt jeg mig i oktober sidste år på IBMs Thomas J. Watson Research Center for at prøve at besvare disse spørgsmål: Hvad vil en kvantecomputer være god til, hvis noget? Og kan der overhovedet bygges en praktisk, pålidelig?

Hvorfor vi tror, ​​vi har brug for en kvantecomputer

Forskningscentret, der ligger i Yorktown Heights, ligner lidt en flyvende tallerken, som man forestillede sig i 1961. Det blev designet af den neo-futuristiske arkitekt Eero Saarinen og bygget under IBMs storhedstid som producent af store mainframe-businessmaskiner. IBM var verdens største computervirksomhed, og inden for et årti efter forskningscentrets opførelse var det blevet verdens femtestørste virksomhed af enhver art, lige efter Ford og General Electric.

Mens bygningens gange vender ud mod landskabet, er designet sådan, at ingen af ​​kontorerne indenfor har vinduer. Det var i et af disse lukkede rum, jeg mødte Charles Bennett. Nu i 70'erne har han store hvide bakkenbarter, bærer sorte sokker med sandaler og har endda en lommebeskytter med kuglepenne i. Omgivet af gamle computerskærme, kemimodeller og, mærkeligt nok, en lille diskokugle, mindede han om fødslen af ​​kvantecomputere, som om det var i går.

Charles Bennett fra IBM Research er en af ​​grundlæggerne af kvanteinformationsteorien. Hans arbejde hos IBM var med til at skabe et teoretisk grundlag for kvanteberegning. bartek sadowski

Da Bennett kom til IBM i 1972, var kvantefysikken allerede et halvt århundrede gammel, men databehandling var stadig afhængig af klassisk fysik og den matematiske teori om information, som Claude Shannon havde udviklet ved MIT i 1950'erne. Det var Shannon, der definerede mængden af ​​information i form af antallet af bits (et udtryk, han populariserede, men ikke mønter), der kræves for at gemme det. De stykker, den 0 s og en s af binær kode, er grundlaget for al konventionel databehandling.

Et år efter ankomsten til Yorktown Heights hjalp Bennett med at lægge grundlaget for en kvanteinformationsteori, der ville udfordre alt det. Den er afhængig af at udnytte den ejendommelige opførsel af objekter på atomær skala. Ved den størrelse kan en partikel eksistere overlejret i mange tilstande (f.eks. mange forskellige positioner) på én gang. To partikler kan også udvise sammenfiltring, så ændring af tilstanden af ​​den ene kan øjeblikkeligt påvirke den anden.

Bennett og andre indså, at nogle former for beregninger, der er eksponentielt tidskrævende, eller endda umulige, kunne udføres effektivt ved hjælp af kvantefænomener. En kvantecomputer ville gemme information i kvantebits eller qubits. Qubits kan eksistere i superpositioner af en og 0 , og sammenfiltring og et trick kaldet interferens kan bruges til at finde løsningen på en beregning over et eksponentielt stort antal tilstande. Det er irriterende svært at sammenligne kvante- og klassiske computere, men groft sagt ville en kvantecomputer med blot et par hundrede qubits kunne udføre flere beregninger samtidigt, end der er atomer i det kendte univers.

I sommeren 1981 organiserede IBM og MIT en skelsættende begivenhed kaldet First Conference on the Physics of Computation. Det fandt sted i Endicott House, et palæ i fransk stil ikke langt fra MIT-campus.

På et billede, som Bennett tog under konferencen, kan flere af de mest indflydelsesrige personer fra computer- og kvantefysikkens historie ses på græsplænen, herunder Konrad Zuse, der udviklede den første programmerbare computer, og Richard Feynman, en vigtig bidragyder til kvanteteori. Feynman holdt konferencens hovedtale, hvor han rejste ideen om at computere ved hjælp af kvanteeffekter. Det største boost, kvanteinformationsteorien fik, var fra Feynman, fortalte Bennett mig. Han sagde: 'Naturen er kvante, for fanden! Så hvis vi vil simulere det, har vi brug for en kvantecomputer.'

IBMs kvantecomputer - en af ​​de mest lovende, der findes - er placeret lige nede ad gangen fra Bennetts kontor. Maskinen er designet til at skabe og manipulere det væsentlige element i en kvantecomputer: qubits, der lagrer information.

Dette laboratorium hos IBM huser kvantemaskiner forbundet til skyen. jeremy liebman

Gabet mellem drømmen og virkeligheden

IBM-maskinen udnytter kvantefænomener, der opstår i superledende materialer. For eksempel vil strømmen nogle gange flyde med uret og mod uret på samme tid. IBMs computer bruger superledende kredsløb, hvor to distinkte elektromagnetiske energitilstande udgør en qubit.

Den superledende tilgang har vigtige fordele. Hardwaren kan fremstilles ved hjælp af veletablerede fremstillingsmetoder, og en konventionel computer kan bruges til at styre systemet. Qubits i et superledende kredsløb er også lettere at manipulere og mindre sarte end individuelle fotoner eller ioner.

Inde i IBMs kvantelaboratorium arbejder ingeniører på en version af computeren med 50 qubits. Du kan køre en simulering af en simpel kvantecomputer på en normal computer, men ved omkring 50 qubits bliver det næsten umuligt. Det betyder, at IBM teoretisk nærmer sig det punkt, hvor en kvantecomputer kan løse problemer, som en klassisk computer ikke kan: med andre ord, kvanteoverherredømme.

Men som IBMs forskere vil fortælle dig, er kvanteoverherredømme et undvigende koncept. Du skal bruge alle 50 qubits for at fungere perfekt, når kvantecomputere i virkeligheden er behæftet med fejl, der skal rettes for. Det er også djævelsk svært at vedligeholde qubits i længere tid; de har en tendens til at bryde sammen eller miste deres sarte kvantenatur, ligesom en røgring bryder op ved den mindste luftstrøm. Og jo flere qubits, jo sværere bliver begge udfordringer.

Hvis du havde 50 eller 100 qubits, og de virkelig fungerede godt nok og var fuldstændig fejlkorrigerede - du kunne lave uoverskuelige beregninger, der ikke kan replikeres på nogen klassisk maskine, nu eller nogensinde, siger Robert Schoelkopf, en Yale-professor og grundlægger af et firma kaldet Quantum Circuits. Bagsiden af ​​kvanteberegning er, at der er eksponentielle måder, hvorpå det kan gå galt.

Chipsene inde i IBM's kvantecomputer (i bunden) afkøles til 15 millikelvin. jeremy liebman

En anden grund til forsigtighed er, at det ikke er indlysende, hvor nyttig selv en perfekt fungerende kvantecomputer ville være. Det fremskynder ikke blot enhver opgave, du kaster på den; faktisk ville det for mange beregninger faktisk være langsommere end klassiske maskiner. Kun en håndfuld algoritmer er indtil videre blevet udtænkt, hvor en kvantecomputer klart ville have en fordel. Og selv for dem kan den kant være kortvarig. Den mest berømte kvantealgoritme, udviklet af Peter Shor ved MIT, er til at finde de primære faktorer for et heltal. Mange almindelige kryptografiske skemaer er afhængige af, at dette er svært for en konventionel computer at gøre. Men kryptografi kunne tilpasse sig og skabe nye slags koder, der ikke er afhængige af faktorisering.

Det, der driver hypen, er erkendelsen af, at kvanteberegning faktisk er ægte. Det er ikke længere en fysikers drøm - det er en ingeniørs mareridt.

Det er derfor, selv når de nærmer sig 50-qubit-milepælen, er IBMs egne forskere ivrige efter at fjerne hypen omkring det. Ved et bord i gangen, der ser ud på den frodige græsplæne udenfor, stødte jeg på Jay Gambetta, en høj, afslappet australier, der forsker i kvantealgoritmer og potentielle anvendelser for IBMs hardware. Vi er på dette unikke stadie, sagde han og valgte sine ord med omhu. Vi har denne enhed, der er mere kompliceret, end du kan simulere på en klassisk computer, men den er endnu ikke kontrollerbar til den præcision, at du kunne udføre de algoritmer, du ved, hvordan man gør.

Det, der giver IBM'erne håb, er, at selv en ufuldkommen kvantecomputer stadig kan være nyttig.

Relateret historie

Relateret historie

Gambetta og andre forskere har sat fokus på en applikation, som Feynman forestillede sig tilbage i 1981. Kemiske reaktioner og materialers egenskaber bestemmes af vekselvirkningerne mellem atomer og molekyler. Disse interaktioner er styret af kvantefænomener. En kvantecomputer kan – i det mindste i teorien – modellere dem på en måde, som en konventionel ikke kan.

Sidste år brugte Gambetta og kolleger hos IBM en syv-qubit-maskine til at simulere den præcise struktur af berylliumhydrid. Med kun tre atomer er det det mest komplekse molekyle, der nogensinde er modelleret med et kvantesystem. I sidste ende kan forskere bruge kvantecomputere til at designe mere effektive solceller, mere effektive lægemidler eller katalysatorer, der gør sollys til rent brændstof.

De mål er langt væk. Men, siger Gambetta, kan det være muligt at få værdifulde resultater fra en fejltilbøjelig kvantemaskine parret med en klassisk computer.

Fra en fysikers drøm til en ingeniørs mareridt

Det, der driver hypen, er erkendelsen af, at kvanteberegning faktisk er ægte, siger Isaac Chuang, en slank, blødt MIT-professor. Det er ikke længere en fysikers drøm - det er en ingeniørs mareridt.

Chuang ledede udviklingen af ​​nogle af de tidligste kvantecomputere, der arbejdede hos IBM i Almaden, Californien, i slutningen af ​​1990'erne og begyndelsen af ​​2000'erne. Selvom han ikke længere arbejder på dem, tror han, at vi er ved begyndelsen af ​​noget meget stort - at kvanteberegning i sidste ende endda vil spille en rolle i kunstig intelligens.

Men han formoder også, at revolutionen først for alvor begynder, når en ny generation af studerende og hackere kommer til at lege med praktiske maskiner. Kvantecomputere kræver ikke bare forskellige programmeringssprog, men en fundamentalt anderledes måde at tænke på, hvad programmering er. Som Gambetta udtrykker det: Vi ved ikke rigtig, hvad der svarer til 'Hej, verden' på en kvantecomputer.

Vi begynder at finde ud af det. I 2016 tilsluttede IBM en lille kvantecomputer til skyen. Ved at bruge et programmeringsværktøjssæt kaldet QISKit kan du køre simple programmer på det; tusindvis af mennesker, fra akademiske forskere til skolebørn, har bygget QISKit-programmer, der kører grundlæggende kvantealgoritmer. Nu sætter Google og andre virksomheder også deres begyndende kvantecomputere online. Du kan ikke gøre meget med dem, men de giver i det mindste folk uden for de førende laboratorier en forsmag på, hvad der kan komme.

Startup-miljøet bliver også begejstret. Kort efter at have set IBMs kvantecomputer, tog jeg til University of Torontos handelsskole for at deltage i en pitch-konkurrence for kvantestartups. Hold af iværksættere rejste sig nervøst og præsenterede deres ideer for en gruppe professorer og investorer. En virksomhed håbede at bruge kvantecomputere til at modellere de finansielle markeder. En anden planlagde at få dem til at designe nye proteiner. Endnu en anden ønskede at bygge mere avancerede AI-systemer. Det, der ikke blev anerkendt i lokalet, var, at hvert hold foreslog en virksomhed bygget på en teknologi så revolutionerende, at den knap eksisterer. Det var de færreste, der virkede skræmt af det faktum.

Denne entusiasme kunne stivne, hvis de første kvantecomputere er langsomme til at finde en praktisk anvendelse. Det bedste gæt fra dem, der virkelig kender vanskelighederne - folk som Bennett og Chuang - er, at de første nyttige maskiner stadig er flere år væk. Og det forudsætter, at problemet med at administrere og manipulere en stor samling af qubits ikke i sidste ende vil vise sig at være uoverskueligt.

Alligevel har eksperterne håb. Da jeg spurgte ham, hvordan verden kunne se ud, når min to-årige søn vokser op, svarede Chuang, som lærte at bruge computere ved at lege med mikrochips, med et grin. Måske vil dit barn have et sæt til at bygge en kvantecomputer, sagde han.

skjule