Denna nya startup byggde en rekordstor kvantdator på 256 qubit

20

QuEra Computing, lanserat av fysiker vid Harvard och MIT, försöker med en annan kvantmetod för att hantera omöjligt svåra beräkningsuppgifter.

Av

17 november 2021

Ms Tech | QuEra Computing

Äntligen har fysiker från Harvard och MIT hittat den mördande applikationen för kvantberäkning: en Mario Bros. GIF gjord av qubits. Quantbitarna (kvantbitarna) kan också ordnas i en Space Invaders-design, eller Tetris, eller någon annan form – din geometriska önskan är qubitarnas kommando.

GIF-bilderna är från QuEra Computing, en nystartad Boston-företag som kommer från stealth, för att visa upp programmerbarheten hos deras 256-qubit kvantsimulator – en specialanvändad kvantdator byggd för att lösa vissa typer av problem.

QuEra-maskinen är det senaste steget i att skala upp kvantdatorer för att göra den mer kraftfull och kapabel att hantera praktiska problem. Fler qubits innebär att mer information kan lagras och bearbetas, och forskare som utvecklar tekniken har tävlat om att ständigt höja ribban.

Quantum supremacy från Google? Inte så snabbt, säger IBM. Den rivaliserande tillverkaren av kvantdatorer ifrågasätter det mycket hyllade påståendet att Google har nått en ny milstolpe.

2019 tillkännagav Google att dess 53-qubit-maskin hade uppnått kvantöverlägsenhet – utför en uppgift som inte kan hanteras av en konventionell dator – men IBM ifrågasatte påståendet. Samma år lanserade IBM sin 53-bitars kvantdator. År 2020 presenterade IonQ ett 32-qubit-system som företaget sa var “världens mest kraftfulla kvantdator.” Och just den här veckan lanserade IBM sin nya kvantprocessor på 127 qubit, som i pressmeddelandet beskrevs som ett “mindre designmirakel”. “De stora nyheterna, ur mitt perspektiv, är att det fungerar”, säger Jay Gambetta, IBM:s vicepresident för kvantberäkning.

Nu hävdar QuEra att de har gjort en enhet med mycket fler qubits än någon av dessa konkurrenter.

Det slutliga målet med kvantberäkning är naturligtvis inte att spela Tetris utan att överträffa klassiska datorer när det gäller att lösa problem av praktiskt intresse. Entusiaster tror att när dessa datorer blir tillräckligt kraftfulla, kanske inom ett decennium eller två, kan de få transformativa effekter inom områden som medicin och finans, neurovetenskap och AI. Kvantmaskiner kommer sannolikt att behöva tusentals qubits för att hantera sådana komplexa problem.

Antalet qubits är dock inte den enda faktorn som spelar roll.

QuEra hyllar också den förbättrade programmerbarheten av dess enhet, där varje qubit är en enda, ultrakall atom. Dessa atomer är exakt ordnade med en serie lasrar (fysiker kallar dem optisk pincett). Genom att placera qubits kan maskinen programmeras, ställas in på problemet som undersöks och till och med konfigureras om i realtid under beräkningsprocessen.

“Olika problem kommer att kräva att atomerna placeras i olika konfigurationer”, säger Alex Keesling, QuEras VD och meduppfinnare av tekniken. “En av de saker som är unika med vår maskin är att varje gång vi kör den, några gånger i sekunden, kan vi helt omdefiniera geometrin och anslutningsmöjligheten för qubits.”

Atomen fördel

QuEras maskin byggdes utifrån en ritning och teknik som förfinats under flera år, ledd av Mikhail Lukin och Markus Greiner vid Harvard och Vladan Vuletić och Dirk Englund vid MIT (alla ingår i QuEras grundarteam). Under 2017 använde en tidigare modell av enheten från Harvard-gruppen endast 51 qubits; 2020 demonstrerade de 256-qubit-maskinen. Inom två år förväntar sig QuEra-teamet att nå 1 000 qubits, och sedan, utan att ändra plattformen särskilt mycket, hoppas de kunna fortsätta att skala upp systemet utöver hundratusentals qubits.

Mario gjorde från QuEra qubits rekord Mario tillverkad av QuEra qubits.AHMED OMRAN/QUERA

Det är QuEras unika plattform – det fysiska sättet som systemet är sammansatt på och metoden med vilken information kodas och bearbetas – som borde möjliggöra sådana hopp av skala.

Medan Googles och IBM:s kvantberäkningssystem använder supraledande qubits, och IonQ använder fångade joner, använder QuEras plattform uppsättningar av neutrala atomer som producerar qubits med imponerande koherens (det vill säga en hög grad av “kvantitet”). Maskinen använder laserpulser för att få atomerna att interagera, excitera dem till ett energitillstånd – ett “Rydbergstillstånd”, som beskrevs 1888 av den svenske fysikern Johannes Rydberg – där de kan göra kvantlogik på ett robust sätt med hög trohet. Denna Rydberg-strategi för kvantberäkning har arbetats med i ett par decennier, men tekniska framsteg – till exempel med lasrar och fotonik – behövdes för att få det att fungera tillförlitligt.

“Irrationellt sprudlande”

När datavetaren Umesh Vazirani, chef för Berkeley Quantum Computation Center, först fick reda på Lukins forskning i dessa linjer kände han sig “irrationellt sprudlande” – det verkade som ett fantastiskt tillvägagångssätt, även om Vazirani ifrågasatte om hans intuitioner var i kontakt med verkligheten. “Vi har haft olika välutvecklade vägar, som supraledare och jonfällor, som man har arbetat med under lång tid”, säger han. “Borde vi inte tänka på olika system?” Han checkade in med John Preskill, fysiker vid California Institute of Technology och chef för Institute for Quantum Information and Matter, som försäkrade Vazirani att hans överflöd var berättigad.

Preskill hittar Rydberg-plattformar (inte bara QuEra's) intressant eftersom de producerar starkt interagerande qubits som är mycket intrasslade – “och det är där kvantmagin är”, säger han. “Jag är ganska exalterad över potentialen på en relativt kort tidsskala att upptäcka oväntade saker.”

Förutom att simulera och förstå kvantmaterial och dynamik arbetar QuEra med kvantalgoritmer för att lösa beräkningsoptimeringsproblem som är NP-kompletta (det vill säga mycket svåra). “Detta är verkligen de första exemplen på användbara kvantfördelar som involverar vetenskapliga tillämpningar”, säger Lukin.