Løpet er i full gang. Verdens ledende selskaper prøver å lage den første kvantecomputeren, basert på teknologi som lenge har lovet forskere å hjelpe til med å utvikle fantastiske nye materialer, perfekt datakryptering og nøyaktig forutsi endringer i jordens klima. En slik maskin vil antagelig vises tidligere enn ti år fra nå, men dette stopper ikke IBM, Microsoft, Google, Intel og andre. De stikker bokstavelig talt kvantebiter - eller qubits - på en prosessorbrikke. Men veien til kvanteberegning innebærer mye mer enn å manipulere subatomære partikler.
En kvbit kan representere 0 og 1 på samme tid, takket være det unike kvantefenomenet superposisjon. Dette gjør at qubits kan utføre en enorm mengde beregning på samme tid, noe som øker beregningshastigheten og kapasiteten kraftig. Men det er forskjellige typer qubits, og ikke alle er opprettet like. I en programmerbar silisiumkvantebrikke, for eksempel, bestemmes verdien av en bit (1 eller 0) av rotasjonsretningen til dets elektron. Imidlertid er qubits ekstremt skjøre, og noen trenger temperaturer så høye som 20 millikelvin - 250 ganger kaldere enn i dype rom - for å holde seg stabile.
En kvantecomputer er selvfølgelig ikke bare en prosessor. Disse neste generasjons systemene vil kreve nye algoritmer, ny programvare, tilkoblinger og en haug med ennå å bli oppfunnet teknologier som drar nytte av kolossal datakraft. I tillegg må resultatene fra beregningene lagres et sted.
"Hvis det ikke hadde vært så vanskelig, hadde vi gjort en allerede," sier Jim Clark, direktør for kvantehardware ved Intel Labs. På CES i år avduket Intel en 49-kBbit prosessor, kodenavnet Tangle Lake. For noen år siden skapte selskapet et virtuelt miljø for testing av kvanteprogramvare; den bruker den kraftige Stampede-superdatamaskinen (ved University of Texas) for å simulere en 42-kBbit prosessor. For å faktisk forstå hvordan du skriver programvare for kvantedatamaskiner, krever det imidlertid å simulere hundrevis eller til og med tusenvis av qubits, sier Clarke.
Scientific American intervjuet Clarke om de forskjellige tilnærmingene til å bygge en kvantecomputer, hvorfor de er så skjøre og hvorfor det hele tar så lang tid. Det vil være interessant for deg.
Hvordan er kvanteberegning forskjellig fra tradisjonell databehandling?
Salgsfremmende video:
En vanlig metafor som brukes til å sammenligne de to beregningstyper er en mynt. I en tradisjonell datamaskinprosessor er transistoren enten hoder eller haler. Men hvis du spør hvilken side mynten vender når du snurrer, vil du si at svaret kan være begge deler. Slik fungerer kvanteberegning. I stedet for de vanlige bitene som representerer 0 eller 1, har du en kvantebit som representerer både 0 og 1 samtidig til qubitten slutter å snurre og går inn i en hviletilstand.
Tilstandsrom - eller evnen til å iterere over et stort antall mulige kombinasjoner - er eksponentiell når det gjelder en kvantecomputer. Se for deg at jeg har to mynter i hånden, og jeg kaster dem i luften samtidig. Når de roterer, representerer de fire mulige stater. Hvis jeg kaster tre mynter i lufta, representerer de åtte mulige stater. Hvis jeg kaster femti mynter i lufta og spør deg hvor mange stater de representerer, er svaret et tall som selv den kraftigste superdatamaskinen i verden ikke kan beregne. Tre hundre mynter - fortsatt et relativt lite antall - vil representere flere stater enn atomer i universet.
Hvorfor er qubits så skjøre?
Realiteten er at mynter, eller qubits, til slutt slutter å snurre og kollapse i en viss tilstand, det være seg hoder eller haler. Målet med kvanteberegning er å holde den snurrende i superposisjon i et sett tilstander i lang tid. Se for deg at en mynt snurrer på bordet mitt og at noen dytter på bordet. Mynten kan falle raskere. Støy, temperaturendringer, elektriske svingninger eller vibrasjoner kan alt forstyrre driften av qubit og føre til tap av data. En måte å stabilisere visse typer qubits på er å holde dem kalde. Våre kvittbiter kjører i et kjøleskap på 55 gallon og bruker en spesiell isotop av helium for å avkjøle dem til nesten absolutt null.
Hvordan skiller forskjellige typer qubits seg fra hverandre?
Det er ikke mindre enn seks eller syv forskjellige typer qubits, og omtrent tre eller fire av dem vurderes aktivt for bruk i kvantecomputere. Forskjellen er hvordan man kan manipulere qubits og få dem til å kommunisere med hverandre. Du trenger to qubits for å kommunisere med hverandre for å utføre store "sammenfiltrede" beregninger, og forskjellige typer qubits blir viklet inn på forskjellige måter. Den typen jeg har beskrevet som krever ekstrem avkjøling kalles et superledende system, som inkluderer vår Tangle Lake-prosessor og kvantecomputere bygget av Google, IBM og andre. Andre tilnærminger bruker svingende ladninger av fangede ioner - holdt på plass i et vakuumkammer av laserstråler - som fungerer som qubits. Intel utvikler ikke fangede ionesystemer fordi det krever dypt kunnskap om lasere og optikk,vi kan ikke gjøre det.
Imidlertid studerer vi en tredje type, som vi kaller silisiumspinn-qubits. De ser nøyaktig ut som tradisjonelle silisiumtransistorer, men opererer på et enkelt elektron. Spin qubits bruker mikrobølgepulser for å kontrollere spinnet til et elektron og frigjøre kvantekraften. Denne teknologien er mindre moden i dag enn superledende qubit-teknologi, men den er sannsynligvis mye mer sannsynlig å skalere og bli kommersielt vellykket.
Hvordan kommer jeg til dette punktet herfra?
Det første trinnet er å lage disse kvantebrikkene. Samtidig har vi utført simuleringer på en superdatamaskin. For å kjøre Intels kvantesimulator, tar det omtrent fem billioner transistorer å simulere 42 kbiter. Det tar en million qubits eller mer for å nå kommersiell rekkevidde, men å starte med en simulator som denne kan bygge grunnleggende arkitektur, kompilatorer og algoritmer. Inntil vi har fysiske systemer som vil inkludere fra noen få hundre til tusen qubits, er det ikke klart hva slags programvare vi kan kjøre på dem. Det er to måter å øke størrelsen på et slikt system: en er å legge til flere qubits, som vil kreve mer fysisk plass. Problemet er at hvis målet vårt er å bygge datamaskiner med en million qubits, vil ikke matematikk tillate dem å skalere godt. En annen måte er å komprimere de interne dimensjonene til den integrerte kretsen, men denne tilnærmingen vil kreve et superledende system, som må være enormt. Spin qubits er en million ganger mindre, så vi leter etter andre løsninger.
I tillegg ønsker vi å forbedre kvaliteten på qubits, noe som vil hjelpe oss å teste algoritmer og bygge vårt system. Kvalitet refererer til nøyaktigheten som informasjon blir kommunisert over tid. Mens mange deler av et slikt system vil forbedre kvaliteten, vil de største gevinstene komme ved å utvikle nye materialer og forbedre nøyaktigheten til mikrobølgepulser og annen kontrollelektronikk.
Nylig holdt den amerikanske underutvalget for digital handel og forbrukerbeskyttelse en høring om kvanteberegning. Hva ønsker lovgivere å vite om denne teknologien?
Det er flere høringer knyttet til forskjellige utvalg. Hvis vi tar kvanteberegning, kan vi si at dette er datateknologier for de neste 100 årene. Det er bare naturlig at USA og andre regjeringer er interessert i deres mulighet. Den europeiske unionen har en plan på flere milliarder dollar for å finansiere kvanteforskning over hele Europa. Kina offentliggjorde i fjor høst en forskningsbase på 10 milliarder dollar som vil fokusere på kvanteinformatikk. Spørsmålet er, hva kan vi gjøre som et land på nasjonalt nivå? En nasjonal strategi for kvanteberegning bør drives av universiteter, myndigheter og industri, og samarbeider om forskjellige aspekter av teknologien. Standarder er absolutt nødvendige når det gjelder kommunikasjon eller programvarearkitektur. Arbeidskraft er også et problem. Hvis jeg åpner en ledig stilling for en ekspert på kvanteberegning, vil sannsynligvis to tredjedeler av søkerne være utenfor USA.
Hvilken innvirkning kan kvanteberegning ha på utviklingen av kunstig intelligens?
Typisk vil de første foreslåtte kvantealgoritmene fokusere på sikkerhet (f.eks. Kryptografisk) eller kjemi og materialmodellering. Dette er problemer som er grunnleggende uoppløselige for tradisjonelle datamaskiner. Imidlertid er det mange oppstarter og grupper av forskere som jobber med maskinlæring og AI med introduksjon av kvantecomputere, til og med teoretiske. Gitt tidsrammen som kreves for AI-utvikling, forventer jeg at fremveksten av tradisjonelle brikker som er optimalisert spesielt for AI-algoritmer, som igjen vil ha innvirkning på utviklingen av kvantebrikker. Uansett vil AI definitivt få et løft fra kvanteberegning.
Når ser vi fungerende kvantedatamaskiner løse problemer i den virkelige verden?
Den første transistoren ble opprettet i 1947. Den første integrerte kretsen var i 1958. Intels første mikroprosessor - som inneholdt rundt 2500 transistorer - kom ikke ut før i 1971. Hver av disse milepælene har blitt skilt med mer enn et tiår. Folk tror at kvantecomputere er rett rundt hjørnet, men historien viser at fremskritt tar tid. Hvis vi om 10 år har en kvantecomputer med noen tusen qubits, vil den definitivt endre verden akkurat som den første mikroprosessoren gjorde.
Ilya Khel
