Udnyttelse af Quantum Bits

Præstationen rangerer måske ikke derop med Samuel Morses overførsel af What has God wrought fra Washington, DC, til Baltimore i 1844 eller Alexander Graham Bells stemme, Watson, come here. Jeg vil have dig fra et rum til et andet i 1876. Ikke desto mindre kan videnskabsmænd i sidste ende markere som en milepæl dagen i 2001, hvor Isaac Chuang og hans kolleger hos IBM fastslog, at de to primære faktorer for tallet 15 er tre og fem.

Det, der gjorde deres udregning bemærkelsesværdig, var selvfølgelig ikke gymnasiets aritmetik, men at udregningen var blevet udført af syv atomkerner i et specialdesignet fluorcarbon-molekyle. Ironien i, at et eksperiment så komplekst og delikat ville give et resultat så fodgængere og hverdagsagtigt, er ikke tabt på Chuang, en af ​​verdens mest fremtrædende forskere inden for kvanteberegning. Min gruppe, siger han med et grin, har verdensrekorden for den største og mest ubrugelige kvantecomputer.

Denne historie var en del af vores marts 2003-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Men Chuang, der nu er lektor ved MIT Media Lab, viser måske en overdreven ydmyghed. Kvantecomputere eksisterer i dag kun i en smertefuldt lille skala. Men på trods af en langsom start ser feltet ud til at være på nippet til at give reelle fremskridt inden for kvanteteori og teknik. Forskere har foreslået de første designs til kvantecomputere i stor skala, enheder, der bruger de bizarre egenskaber af subatomære partikler, der eksisterer i ekstremerne af lille størrelse og høj hastighed, for at løse problemer, der forvirrer selv de mest kraftfulde konventionelle computerenheder.

En ingeniørtilgang med betydeligt lovende beskæftiger en klasse af enheder, der kan fange individuelle elektroner i et elektromagnetisk felt. Deres spin, eller orientering i et magnetfelt, kan observeres for at producere en kvantebit eller qubit. En anden lovende tilgang bruger nuklear magnetisk resonans, som kan manipulere samlinger eller ensembler af molekyler til at udføre beregninger og returnere resultater i en målbar form. Dette er den teknik, Chuang og Neil Gershenfeld, en kollega ved MIT Media Lab-professor, udforsker. Folk kommer med alle disse værktøjer, der vil gøre en kvantecomputer lettere at lave, siger Jonathan Dowling, ledende videnskabsmand og supervisor for kvantecomputerteknologigruppen ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, CA.

Denne forskning begynder også at indikere spin-offs på kort sigt, herunder forbedringer i elektroniske kontroller til navigations-, kommunikations- og måleenheder. En af de ting, jeg gør, er at tænke på måder at bruge kvantecomputere til at lave bedre dimser, siger Dowling. Blandt hans projekter er et kvantegyroskop, der ville udnytte fotonernes kvanteadfærd til at gøre disse vigtige navigationsenheder mere følsomme. Begejstringen har spredt sig selv til kunstig intelligens-samfundet: der er tegn på, at kvantealgoritmers evne til at undersøge flere muligheder samtidigt kan hjælpe med udvinding af store databaser, et af feltets vigtigste praktiske mål. Hvis fremtidens geografiske positioneringssystemer, mobiltelefoner, søgemaskiner og integrerede kredsløb er langt mere præcise eller pålidelige end nutidens, kan det være resultatet af en banebrydende kvanteberegningsindsats i gang lige nu i laboratorier rundt om i verden.

Elektronikindustrien har naturligvis lagt mærke til det. IBM sponsorerer kvantecomputerforskning på dets Almaden Research Center i udkanten af ​​Silicon Valley, hvor Chuang udførte sit første arbejde, såvel som på flagskibet Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, NY. Hewlett-Packard understøtter kvanteberegningsforskning på sine laboratorier i Palo Alto, Californien, og Bristol, England. Og halvlederindustrien, som er blevet voksen sammen med fremskridt inden for elektronik inden for klassisk computing, holder skarpt øje med udviklingen på området, jo bedre er det at være forberedt på post-Moores lov-æraen, hvor miniaturisering af klassiske elektroniske kredsløb stød mod fysiske grænser. Eksperter forudser, at det vil ske engang inden for de næste to årtier.

Fremskridtet har været langsomt, men det har været stabilt, siger David P. DiVincenzo fra IBMs Watson-laboratorium. For to eller tre år siden blev nogle betydelige indsatser iværksat, som begynder at give pote.

Flere virkeligheder

Uanset den teknologiske tilgang, er målet med kvanteberegning at drage fordel af selve kvaliteten af ​​kvantemekanikken, som designere af klassiske computere mægtigt forsøger at undgå: dens rene underlighed.

De logiske kredsløb i traditionelle computere fungerer for eksempel ved at detektere diskrete forskelle i spændingen, der passerer gennem elektroniske porte: en høj spænding indikerer en binær en og en lav spænding indikerer et nul. Binær information kan også repræsenteres af en elektrons spin eller polariteten af ​​en foton. Men fordi disse partikler eksisterer i kvanteriget, som er præget af uendeligt korte afstande, næsten lyshastigheder og ekstremt lave energiniveauer, kan deres tilstande ikke altid skelnes som strengt én eller nul. Elektroner og fotoner kan opføre sig som bølger snarere end partikler, synes at optage mere end ét sted ad gangen og udviser samtidig uforenelige tilstande: en elektrons spin kan for eksempel være både op og ned, en tilstand som kvantemekanikken kalder superposition. I beregningsmæssige termer kan qubit være én og nul samtidigt.

Det andet fænomen, der er vigtigt for kvanteberegning, er entanglement, hvor to eller flere partikler skabes med gensidigt afhængige egenskaber: når for eksempel en enkelt foton omdannes til to komplementære partikler af en optisk stråledeler. Måling af egenskaberne af en partikel bestemmer øjeblikkeligt den andens tilstand, selvom de to i måleøjeblikket er adskilt fra hinanden af ​​galaktiske afstande. (Einstein hånede dette fænomen som uhyggelig handling på afstand.)

Det har længe været antaget, at disse fænomener kunne bruges til at løse beregningsmæssige problemer uden for rækkevidde af traditionel teknologi. En enkelt kvantebit, der kan være i to tilstande på én gang, kan udføre arbejdet med to klassiske bits, der arbejder parallelt. (Kun når partiklen måles eller observeres, opløses alle muligheder i en enkelt, klassisk virkelighed.) To sammenfiltrede qubits kan samtidig evaluere fire inputs. Sagt på en anden måde kan et traditionelt hukommelsesregister med otte bit kun lagre et af de mulige 28 eller 256 digitale ord, men et kvanteregister med otte qubits kan repræsentere og beregne alle 256 ord på én gang.

Sådanne generelle forestillinger blev formuleret af blandt andre Richard Feynman så længe siden som i 1980'erne. I årevis havde ingen dog en klar idé om, hvordan de kunne anvendes på reelle problemer. I 1994 beskrev matematikeren Peter W. Shor fra AT&T Bell Labs en algoritme eller et program, der beviste, at en kvantecomputer kunne faktorisere store tal eksponentielt hurtigere end nogen kendt konventionel metode.

Shors opdagelse var vigtig, fordi factoring er præcis den slags problem, der overvælder konventionelle computere: Efterhånden som et antal vokser sig større, udvides de nødvendige ressourcer til at faktorisere det hurtigt. At faktorisere tallet seks er trivielt, men eksperter vurderer, at det ville tage alle supercomputere i verden længere end alderen på det kendte univers at finde faktorerne til et tal med 300 cifre.

Factoring er desuden et matematisk problem med applikationer i den virkelige verden. Selve uoverskueligheden ved factoring med stort antal er kernen i moderne kryptografi, som er afhængig af den for at skabe ubrydelige nøgler. Shors algoritme repræsenterede både en dolk i hjertet af gammeldags ubrydelige koder og et vejskilt, der pegede mod en ny klasse af virkelig ubrydelige koder. Faktisk forudsiger mange kvantecomputereksperter, at kvantekryptografi vil være den første kommercielle applikation, der dukker op fra den spæde videnskab, og der er allerede dannet mindst tre virksomheder for at markedsføre sikre kommunikationssystemer baseret på kvantefaktoring ( se Kvantekryptering , TR februar 2003 ).

Ud over sikre koder

på samme tid vakte shors arbejde en bølge af interesse for andre mulige anvendelser af kvanteberegning. Efter det første resultat fra Shor, siger computerforsker Wim van Dam fra HP Labs, var alle meget optimistiske over, at vi ville finde masser af algoritmer, som kvanteberegning ville være nyttig til. Men gennem det meste af 1990'erne forblev sådanne dræber-apps uhåndgribelige. For en tid frygtede videnskabsmænd, at factoring-problemet ville være kvantecomputerens eneste udbytte.

I de sidste to år har en forbedret forståelse af, hvordan qubits virker, dog stimuleret en ny søgen efter problemer, som qubits er særligt velegnede til at løse. Edward Farhi fra Center for Teoretisk Fysik ved MIT er blandt dem, der har påtaget sig det arbejde. Hele fokus for vores interesse, siger Farhi, er, hvis du havde en perfekt fungerende kvantecomputer, hvad ville du så gøre med den?

Farhi og hans kolleger har identificeret en række generelle, hvis abstrakte, beregninger, kvantecomputere kan udføre langt hurtigere end klassiske computere. Det ene er et navigationsproblem, hvor en rejsende med hverken kort eller guide bevæger sig fra startpunkt til destination via tilfældige stier, der forgrener sig fra et givet antal mellemstationer. Farhis team, der ikke overraskede nogen, viste, at under sådanne forhold, den tid, en klassisk computer kræver for at finde en vej fra punkt TIL at pege B udvides eksponentielt som antallet af forgreningspunkter imellem TIL og B stiger. I modsætning hertil ville en kvantecomputer rejse alle mulige veje på én gang og pålideligt finde vej hen over labyrinten i en tidsramme, der kun udvider sig aritmetisk med labyrintens kompleksitet.

Jeg er sådan set glad for den her ting, selvom den er lidt kunstig, siger Farhi. Det, der adskiller Farhis problem fra det berømte rejsende sælgerproblem og andre logistiske gåder, er, at den rejsende ikke har noget kort og derfor kun begrænset viden om stien. Men i den virkelige verden har en rejsende sandsynligvis et kort, der viser alle mulige stier, og udfordringen er at finde den mest effektive rute. Alt hvad en kvantecomputer gør er at krydse alle stier på én gang for hurtigt at nå frem til destinationen - men den vil ikke producere en bestemt rute. Så det er endnu ikke klart, om Farhis arbejde peger på en praktisk anvendelse. Dette er et springbræt til et bedre eksempel, siger Farhi håbefuldt. Jeg gætter på, at man kan sige, at vi leder efter et eksempel på en areal-verden.

En mere sandsynlig brug af kvanteberegning kan være i databasesøgninger. I 1996 udviklede Lov Grover, en fysisk videnskabsforsker ved Lucent Technologies' Bell Labs, en algoritme, der viste, hvordan kvanteberegning kunne fremskynde søgninger voldsomt: En klassisk computer, der søger i en telefonbog med f.eks. en million poster, ville i gennemsnit være omkring fem hundrede tusinde forsøger at finde et enkelt specificeret telefonnummer. En kvantecomputer ville kun have brug for tusinde forsøg.

Pointen er, siger Farhi, at kvantehastigheden ikke er universel. Så det er en kunst at finde problemer, som det er fordelagtigt.

Qubit Trappers

Mens farhi og hans kolleger afgør, hvad der kan gøres med en kvantecomputer, er andre hårdt på arbejde med selve hardwaren.

IBMs DiVincenzo siger, at en praktisk kvantecomputer skal have fem fundamentale egenskaber: Den skal sørge for qubits-partikler eller grupper af partikler, der kan isoleres og placeres i superposition, den ubestemte tilstand, hvori de repræsenterer både enere og nuller. Det skal være muligt for operatører at kontrollere starttilstandene for qubits, analogt med at sætte dem alle til nul ved begyndelsen af ​​en beregning. Qubits skal forblive stabile i superposition længe nok til at udføre en operation - alt fra millisekunder til flere sekunder. Det skal være muligt at implementere kvantelogiske kredsløb, der svarer til sådanne booleske operatorer som og , eller , og ikke , som danner grundlaget for traditionel computerarkitektur. I klassiske computere er disse udtryk inkorporeret i elektriske kredsløb. Den enkleste logiske gate, ikke-porten, konverterer en indkommende digital til et nul og omvendt. For at manipulere qubits vil kvantekredsløb skulle anvende teknikker som ekstremt præcis kontrol af magnetfelter eller laserimpulser.

Det sidste krav til en kvantecomputer er, at den gør resultaterne af en beregning tilgængelige for brugeren, for eksempel gennem en visuel udlæsning.

De fleste kvanteberegningseksperimenter bunder i indsatser, der adresserer et eller flere af DiVincenzos krav. Der er formentlig et halvt dusin seriøse forslag og 10 gange så mange, som ikke er seriøse, siger Bruce Kane, der har specialiseret sig i videnskaben om enkeltelektronenheder ved University of Maryland.

Chuang og Gershenfeld brugte for eksempel kernemagnetisk resonans til at måle spin af qubits i bulkmaterialer - et hætteglas indeholdende en milliard milliarder molekyler specialfremstillet af fluor, kulstof, jern, brint og oxygen. Spindene af kernerne af de fem fluor- og to carbonatomer i hvert molekyle fungerede som interagerende qubits for at udføre Shors algoritme. Selvom Chuang og Gershenfelds præstation med at kontrollere og måle spins af syv qubits er blevet hyldet bredt, mener mange i feltet, at opskalering af denne tilgang vil være ekstremt vanskelig. Begrænsningen er, at hver gang du tilføjer qubits, falder signal-til-støj-forholdet, siger Kane med henvisning til mængden af ​​nyttig information - såsom overskuddet af partikler med et spin over partikler med et andet spin - der kan skelnes fra tilfældigt forstyrrelser i bulkfluorcarbonmaterialet.

Chuang erkender selv, at hans syv-bit kvantecomputer ligger langt under den skala, der er nødvendig for meningsfulde beregninger. For at gøre det praktisk bliver vi nødt til at komme til tusindvis, hvis ikke hundredtusindvis, af qubits, siger han. En rivaliserende tilgang, der bruger ingeniørteknikker i nanoskala til at bygge qubit-beholdere, tilføjer han, kan være lettere at skalere op.

David J. Wineland og hans team studerer dette alternativ ved Time and Frequency Division af U.S. National Institute of Standards and Technology i Boulder, CO. De bygger miniature-enheder ved hjælp af elektroder, der isolerer ioner i fælder, der er dannet fra elektriske felter. Fordelen ved denne tilgang, siger Wineland, er, at ionfælder er relativt nemme at fremstille, kan kobles sammen og kan indeholde mere end én ion pr. fælde. Wineland foreslår, at en streng af ioner, der er indespærret i en enkelt fælde, kan fungere som en slags kvantehukommelse, og hver yderligere qubit ville udvide lagerkapaciteten eksponentielt. Winelands gruppe har allerede lokket sådanne qubits til at forblive i en tilstand af superposition i op til 10 minutter. Men en aktuel svaghed i denne ordning er, at det er vanskeligt at overføre kvanteinformation mellem ioner, der holdes i separate fælder, en nødvendighed for storskalaberegninger.

Kvante spinoffs

At skabe qubits, der interagerer og forbliver i superposition længe nok til at gøre sig selv nyttige, vil optage kvantecomputerforskere i de kommende år. Alligevel dukker der praktiske gevinster op, efterhånden som forskere udnytter fænomenerne bag kvantecomputere på beslægtede områder.

Hos NIST, hvis institutionelle mission inkluderer at sætte standarder for måling af tid, var Winelands interesse for kvanteberegning før selv Shors algoritme. Vi begyndte at tænke på, hvordan kvantesammenfiltring kunne bruges til at forbedre signal-til-støj-forholdet i atomure, forklarer han. Vi vidste, at der var en kvantesammenfiltringstilstand, der kunne forbedre uret, og ideerne om kvanteberegning viste, hvordan man lavede det. Groft sagt fungerer nutidens atomure ved at tage gennemsnittet af samtidige aflæsninger af de oscillerende magnetfelter på mere end en million cæsiumatomer; kvantesammenfiltring kunne reducere den tid, der er nødvendig for at beregne dette gennemsnit og forbedre præcisionen ved at tillade, at mange aflæsninger kan foretages samtidigt.

Jet Propulsion Laboratory's Dowling tilføjer, at kvantesammenfiltring kan give en bedre måde at synkronisere jordbundne ure med dem i rummet. På nuværende tidspunkt afbrydes jord-og-rum-synkronisering, som oftest udføres af radio, omend minutiøst af atmosfærisk brydning og andre effekter. Fordi sammenfiltrede fotoner er forbundet på et kvanteniveau, er de immune over for disse fysiske forstyrrelser. Det ville være en rigtig stor sag at slå disse [effekter] ud, siger Dowling. Han foreslår at sende sammenfiltrede partikler til de steder, der skal synkroniseres. At måle en partikel ville øjeblikkeligt sætte den anden til at tikke, siger Dowling. Efter at have kalibreret deres ure til de tikkende partikler, ville operatørerne vide, at urene var enige.

For ikke at nogen tror, ​​at kvanteskalaforfinelser af tidsmåling kun er af akademisk interesse, skal det bemærkes, at atomisk tidtagning er grundlaget for geografiske positioneringssystemer, satellitsporingsteknologier og mobilkommunikationsnetværk, som synkroniseres af den anden. Historien har for evigt vist, at når der er et bedre ur, bliver det brugt, siger Wineland. Det er et godt bud på, at tendensen vil fortsætte.

Forskere i industrien leder i mellemtiden efter måder at bootstrap kvantecomputere på ved at forbinde det med konventionelle teknologier, hvor de har mere erfaring. Sidste år indgik Hewlett-Packard en arbejdsalliance på $2,5 millioner med Gershenfeld og Chuang for, som seniorforskeren Philip Kuekes fra HP Labs siger, at kombinere vores respektive ekspertise. HP er f.eks. fascineret af muligheden for at transmittere kvantebits via almindelige fiberoptiske linjer, hvoraf tusindvis af kilometer er installeret, men underudnyttet rundt om i landet. Det er faktisk ret interessant, siger Kuekes. Langdistancetransmission af kvanteinformation, forstærket af karakteristika ved kvantesammenfiltring, ville give korrespondenter mulighed for at dele kodenøgler uden frygt for at blive kompromitteret. Det betyder, tilføjer han, at en af ​​de ting, der kan ske ret tidligt, er kvantekryptografi.

Selvom, som forskning har vist, kan qubits transmitteres over fiberoptiske linjer, fungerer transmissionerne ikke mere end titusinder af kilometer ad gangen. At sende qubits på tværs af kontinenter eller oceaner, siger Kuekes, ville kræve et system af kvanteswitche og repeatere analogt med solid-state-versionerne, der hjælper med at flytte data over hele internettet. Disse ville svare til simple kvantecomputere udstyret med fejlkorrigerende software, der kunne kompensere for det uundgåelige tab af superposition blandt mange af de omrejsende qubits. Udvikling af denne software er et af hovedlinjerne i HP Labs' forskning.

I et videnskabeligt eksempel på, at barnet er far til manden, har anvendt forskning kastet nogle ekstra fordele af sig selv inden for forældrevidenskaben om kvantemekanik. De nødvendige værktøjer til at perfektionere kvanteberegning, viser det sig, hjælper også med at demonstrere partikeladfærd, som fysikere indtil nu kun har antydet i teorien.

Der er en smuk tilbagestrømning den anden vej, siger John Preskill, professor i teoretisk fysik ved Caltech. Interessen for kvantecomputere har inspireret en masse interessant videnskab. Vi er langt fra et crash-program inden for ingeniørvidenskab, men vi går ind i en ny æra inden for kondenseret stoffysik.

Dette er i høj grad et resultat af kvanteberegningens krav om, at qubits skal kontrolleres og måles med hidtil uset præcision. Traditionen inden for kondenseret stoffysik har været at lave eksperimenter på ensembler, det vil sige enorme mængder af atomer, hvis kvanteadfærd kan identificeres statistisk, siger Preskill. Du måler normalt ikke enkeltelektrons adfærd.

Især Winelands eksperimenter på NIST, siger Preskill, har givet fysikere et uovertruffent vindue på individuelle partiklers adfærd. Nedbrydningen af ​​qubits til klassiske enere eller nuller er for eksempel et fænomen, som videnskabsmænd tidligere kun kunne udlede ved at observere hele skyer af elektroner eller fotoner. Skyernes gennemsnitlige signal ville indikere, om nogle partikler havde ændret deres kvantetilstand, men du ville ikke rigtig se den individuelle partikeladfærd, siger Preskill. Det er virkelig en ny type eksperiment.

Preskill advarer ligesom andre i feltet om, at mange spørgsmål skal besvares og kritiske problemer løses, før kvanteberegning kan gå videre end dets nuværende elementære applikationer. Om dette felt stadig vil se så spændende ud om 10 år, kan jeg ikke sige, erkender han. Men lige nu føles feltet frisk og nyt. Endnu engang.

skjule