Løbet er i fuld gang. Verdens førende virksomheder forsøger at skabe den første kvantecomputer, der er baseret på teknologi, der længe har lovet forskere at hjælpe med at udvikle vidunderlige nye materialer, perfekt datakryptering og nøjagtigt forudsige ændringer i jordens klima. En sådan maskine vises sandsynligvis ikke tidligere end ti år fra nu, men dette stopper ikke IBM, Microsoft, Google, Intel og andre. De bogstaveligt talt stikker kvantebits - eller qubits - bogstaveligt talt på en processorchip. Men vejen til kvanteberegning involverer meget mere end at manipulere subatomære partikler.
En kvbit kan repræsentere 0 og 1 på samme tid takket være det unikke kvantefænomen superposition. Dette giver qubits mulighed for at udføre en enorm mængde beregning på samme tid, hvilket i høj grad øger beregningshastigheden og kapaciteten. Men der er forskellige typer qubits, og ikke alle er oprettet den samme. I en programmerbar siliciumkvantechip bestemmes for eksempel værdien af en bit (1 eller 0) af rotationsretningen for dets elektron. Imidlertid er qubits ekstremt skrøbelige, og nogle har brug for temperaturer så høje som 20 millikelvin - 250 gange koldere end i dybe rum - for at forblive stabile.
Selvfølgelig er en kvantecomputer ikke kun en processor. Disse næste generations systemer kræver nye algoritmer, ny software, forbindelser og en masse endnu-til-blive-opfundet teknologier, der drager fordel af kolossal computerkraft. Derudover skal resultaterne af beregningerne gemmes et eller andet sted.
"Hvis det ikke havde været så hårdt, havde vi allerede gjort en," siger Jim Clark, direktør for kvantehardware hos Intel Labs. På CES i år afslørede Intel en 49-qubit processor, kodenavnet Tangle Lake. For et par år siden skabte virksomheden et virtuelt miljø til test af kvantesoftware; den bruger den kraftfulde Stampede supercomputer (ved University of Texas) til at simulere en 42-qubit processor. For faktisk at forstå, hvordan man skriver software til kvantecomputere, kræves det imidlertid at simulere hundreder eller endda tusinder af qubits, siger Clarke.
Scientific American interviewede Clarke om de forskellige tilgange til opbygning af en kvantecomputer, hvorfor de er så skrøbelige, og hvorfor det hele tager så lang tid. Det vil være interessant for dig.
Hvordan adskiller kvanteberegning sig fra traditionel computing?
Salgsfremmende video:
En almindelig metafor, der bruges til at sammenligne de to beregningstyper, er en mønt. I en traditionel computerprocessor er transistoren enten hoveder eller haler. Men hvis du spørger, hvilken side mønten vender mod, når den drejer, vil du sige, at svaret kan være begge dele. Sådan fungerer kvanteberegning. I stedet for de sædvanlige bit, der repræsenterer 0 eller 1, har du en kvantebit, der repræsenterer både 0 og 1 på samme tid, indtil kvbiten holder op med at dreje og går ind i en hviletilstand.
Statens rum - eller evnen til at iterere over et stort antal mulige kombinationer - er eksponentielt i tilfælde af en kvantecomputer. Forestil dig, at jeg har to mønter i min hånd, og jeg kaster dem i luften på samme tid. Når de roterer, repræsenterer de fire mulige stater. Hvis jeg kaster tre mønter i luften, repræsenterer de otte mulige stater. Hvis jeg kaster halvtreds mønter i luften og spørger dig, hvor mange stater de repræsenterer, er svaret et tal, som selv den mest magtfulde supercomputer i verden ikke kan beregne. Tre hundrede mønter - stadig et relativt lille antal - vil repræsentere flere stater end atomer i universet.
Hvorfor er qubits så skrøbelige?
Realiteten er, at mønter eller qubits i sidste ende holder op med at dreje og kollapse i en bestemt tilstand, hvad enten det er hoveder eller haler. Målet med kvanteberegning er at holde det snurret i superposition i et sæt tilstande i lang tid. Forestil dig, at en mønt roterer på mit bord, og at nogen skubber på bordet. Mønten falder muligvis hurtigere. Støj, temperaturændringer, elektriske udsving eller vibrationer kan alle forstyrre betjeningen af qubit og føre til tab af dens data. En måde at stabilisere visse typer qubits på er at holde dem kolde. Vores qubits kører i et køleskab på 55 gallon tønde og bruger en speciel isotop af helium til at afkøle dem til næsten absolut nul.
Hvordan adskiller de forskellige typer qubits sig fra hinanden?
Der er ikke mindre end seks eller syv forskellige typer qubits, og omkring tre eller fire af dem overvejes aktivt til brug i kvantecomputere. Forskellen er, hvordan man manipulerer qubits og får dem til at kommunikere med hinanden. Du har brug for to qubits for at kommunikere med hinanden for at udføre store "sammenfiltrede" beregninger, og forskellige typer af qubits bliver sammenfiltret på forskellige måder. Den type, jeg har beskrevet, der kræver ekstrem afkøling kaldes et superledende system, der inkluderer vores Tangle Lake-processor og kvantecomputere bygget af Google, IBM og andre. Andre tilgange bruger svingende ladninger af fangede ioner - holdes på plads i et vakuumkammer ved hjælp af laserstråler - som fungerer som qubits. Intel udvikler ikke fangede ion-systemer, fordi det kræver dyb viden om lasere og optik,vi kan ikke gøre det.
Vi studerer dog en tredje type, som vi kalder siliciumspin-qubits. De ligner nøjagtigt traditionelle siliciumtransistorer, men fungerer på en enkelt elektron. Spin qubits bruger mikrobølgepulser til at kontrollere spin af et elektron og frigive sin kvantekraft. Denne teknologi er i dag mindre moden end superledende qubit-teknologi, men den er sandsynligvis meget mere tilbøjelig til at skalere og få kommercielt succes.
Hvordan kommer jeg til dette punkt herfra?
Det første trin er at fremstille disse kvantechips. Samtidig har vi udført simuleringer på en supercomputer. For at køre Intels kvantesimulator kræver det cirka 500 billioner transistorer at simulere 42 qubits. Det tager en million qubits eller mere for at nå kommerciel rækkevidde, men starter med en simulator som denne kan bygge den grundlæggende arkitektur, kompilatorer og algoritmer. Indtil vi har fysiske systemer, der vil indeholde fra et par hundrede til tusind qubits, er det ikke klart, hvilken slags software vi kan køre på dem. Der er to måder at øge størrelsen på et sådant system: den ene er at tilføje flere qubits, hvilket kræver mere fysisk plads. Problemet er, at hvis vores mål er at bygge computere med en million qubits, vil matematik ikke tillade dem at skalere godt. En anden måde er at komprimere de interne dimensioner af det integrerede kredsløb, men denne fremgangsmåde kræver et superledende system, som skal være enormt. Spin qubits er en million gange mindre, så vi leder efter andre løsninger.
Derudover ønsker vi at forbedre kvaliteten af qubits, hvilket vil hjælpe os med at teste algoritmer og opbygge vores system. Kvalitet henviser til nøjagtigheden, hvormed information kommunikeres over tid. Mens mange dele af et sådant system vil forbedre kvaliteten, vil de største gevinster komme ved at udvikle nye materialer og forbedre nøjagtigheden af mikrobølgepulser og anden kontrolelektronik.
For nylig afholdt det amerikanske underudvalg for digital handel og forbrugerbeskyttelse en høring om kvanteberegning. Hvad ønsker lovgivere at vide om denne teknologi?
Der er flere høringer forbundet med forskellige udvalg. Hvis vi tager kvanteberegning, kan vi sige, at dette er computerteknologier i de næste 100 år. Det er kun naturligt for USA og andre regeringer at være interesseret i deres mulighed. Den Europæiske Union har en plan på flere milliarder dollars til finansiering af kvanteundersøgelser i hele Europa. Sidste efterår annoncerede Kina en forskningsbase på 10 milliarder dollars, der vil fokusere på kvanteinformatik. Spørgsmålet er, hvad kan vi gøre som et land på nationalt niveau? En national strategi for kvanteberegning bør styres af universiteter, regeringer og industri og arbejder sammen om forskellige aspekter af teknologien. Standarder er bestemt nødvendige med hensyn til kommunikation eller softwarearkitektur. Arbejdskraft er også et problem. Nu, hvis jeg åbner en ledig stilling for en ekspert på kvantecomputere, vil to tredjedele af ansøgerne sandsynligvis være uden for USA.
Hvilken indflydelse kan kvanteberegning have på udviklingen af kunstig intelligens?
Typisk vil de første foreslåede kvantealgoritmer fokusere på sikkerhed (f.eks. Kryptografisk) eller kemi og materialemodellering. Dette er problemer, der er grundlæggende uopløselige for traditionelle computere. Der er dog masser af startups og grupper af videnskabsmænd, der arbejder med maskinlæring og AI med introduktionen af kvantecomputere, endda teoretiske. I betragtning af den tidsramme, der kræves for AI-udvikling, forventer jeg, at traditionelle chips optimeres specifikt til AI-algoritmer, som igen vil have indflydelse på udviklingen af kvantechips. Under alle omstændigheder vil AI helt sikkert få et løft fra kvanteberegning.
Hvornår vil vi se, at arbejdende kvantecomputere løser problemer i den virkelige verden?
Den første transistor blev oprettet i 1947. Det første integrerede kredsløb var i 1958. Intels første mikroprocessor - som indeholdt omkring 2.500 transistorer - kom først ud i 1971. Hver af disse milepæle er blevet adskilt med mere end et årti. Folk tror, at kvantecomputere er lige rundt om hjørnet, men historien viser, at fremskridt tager tid. Hvis vi om 10 år har en kvantecomputer med et par tusinde qubits, vil den helt sikkert ændre verden, ligesom den første mikroprocessor gjorde.
Ilya Khel