QuEra Computing, lanceret af fysikere ved Harvard og MIT, forsøger en anden kvantetilgang til at tackle umuligt hårde beregningsopgaver.
Af
17. november 2021
Endelig har fysikere fra Harvard og MIT fundet den dræbende applikation til kvanteberegning: en Mario Bros. GIF lavet af qubits. Qubits (kvantebit) kan også arrangeres i et Space Invaders-design, eller Tetris eller en hvilken som helst anden form – dit geometriske ønske er qubits' kommando.
GIF'erne er fra QuEra Computing, en Boston-startup, der dukker op fra stealth, for at vise programmerbarheden af deres 256-qubit kvantesimulator – en kvantecomputer til specielle formål bygget til at løse visse typer problemer.
QuEra-maskinen er det seneste spring inden for opskalering af kvantecomputere for at gøre den mere kraftfuld og i stand til at tackle praktiske problemer. Flere qubits betyder, at flere oplysninger kan lagres og behandles, og forskere, der udvikler teknologien, har kæmpet for konstant at hæve barren.
Relateret historie
Quantum overherredømme fra Google? Ikke så hurtigt, siger IBM. Den rivaliserende producent af kvantecomputere bestrider den meget roste påstand om, at Google har nået en ny milepæl.
I 2019 meddelte Google, at dens 53-qubit-maskine havde opnået kvanteoverlegenhed – udfører en opgave, der ikke kan håndteres af en konventionel computer – men IBM anfægtede påstanden. Samme år lancerede IBM sin 53-bit kvantecomputer. I 2020 afslørede IonQ et 32-qubit-system, som virksomheden sagde var “verdens mest kraftfulde kvantecomputer.” Og netop denne uge lancerede IBM sin nye 127-qubit kvanteprocessor, som pressemeddelelsen beskrev som et “mindre mirakel af design.” “Den store nyhed fra mit perspektiv er, at det virker,” siger Jay Gambetta, IBMs vicepræsident for kvantecomputere.
Nu hævder QuEra at have lavet en enhed med langt flere qubits end nogen af disse rivaler.
Det ultimative mål med kvanteberegning er selvfølgelig ikke at spille Tetris, men at udkonkurrere klassiske computere med at løse problemer af praktisk interesse. Entusiaster regner med, at når disse computere bliver kraftige nok, måske om et årti eller to, kan de medføre transformative effekter inden for områder som medicin og finans, neurovidenskab og kunstig intelligens. Kvantemaskiner vil sandsynligvis have brug for tusindvis af qubits for at håndtere så komplekse problemer.
Antallet af qubits er dog ikke den eneste faktor, der betyder noget.
QuEra fremhæver også den forbedrede programmerbarhed af sin enhed, hvor hver qubit er et enkelt, ultrakoldt atom. Disse atomer er præcist arrangeret med en række lasere (fysikere kalder dem optisk pincet). Placering af qubits gør det muligt for maskinen at blive programmeret, tunet til det problem, der undersøges, og endda rekonfigureret i realtid under beregningsprocessen.
“Forskellige problemer vil kræve, at atomerne placeres i forskellige konfigurationer,” siger Alex Keesling, QuEras CEO og medopfinder af teknologien. “En af de ting, der er unikke ved vores maskine, er, at hver gang vi kører den, et par gange i sekundet, kan vi fuldstændigt omdefinere geometrien og forbindelsen mellem qubitterne.”
Atomet fordel
QuEras maskine blev bygget ud fra en plan og teknologier raffineret over flere år, ledet af Mikhail Lukin og Markus Greiner på Harvard og Vladan Vuletić og Dirk Englund ved MIT (alle er på QuEras stiftende team). I 2017 brugte en tidligere model af enheden fra Harvard-gruppen kun 51 qubits; i 2020 demonstrerede de 256-qubit-maskinen. Inden for to år forventer QuEra-teamet at nå 1.000 qubits, og uden at ændre meget på platformen håber de at blive ved med at opskalere systemet ud over hundredtusindvis af qubits.
Mario lavet af QuEra qubits.AHMED OMRAN/QUERA Det er QuEras unikke platform – den fysiske måde, systemet er sammensat på, og metoden, hvormed information kodes og behandles – der skulle give mulighed for sådanne spring af skala.
Mens Googles og IBMs kvantecomputersystemer bruger superledende qubits, og IonQ bruger fangede ioner, bruger QuEras platform arrays af neutrale atomer, der producerer qubits med imponerende sammenhæng (det vil sige en høj grad af “kvantelighed”). Maskinen bruger laserimpulser til at få atomerne til at interagere, spændende dem til en energitilstand – en “Rydberg-tilstand”, beskrevet i 1888 af den svenske fysiker Johannes Rydberg – hvor de kan lave kvantelogik på en robust måde med høj kvalitet. Denne Rydberg-tilgang til kvanteberegning er blevet arbejdet på i et par årtier, men teknologiske fremskridt – for eksempel med lasere og fotonik – var nødvendige for at få det til at fungere pålideligt.
“Irrationelt overstrømmende”
Da datalogen Umesh Vazirani, direktør for Berkeley Quantum Computation Center, først lærte om Lukins forskning i denne retning, følte han sig “irrationelt overstrømmende” – det virkede som en vidunderlig tilgang, selvom Vazirani stillede spørgsmålstegn ved, om hans intuitioner var i kontakt med virkeligheden. “Vi har haft forskellige veludviklede stier, såsom superledere og ionfælder, som der er blevet arbejdet på i lang tid,” siger han. “Skal vi ikke tænke på forskellige ordninger?” Han tjekkede ind hos John Preskill, fysiker ved California Institute of Technology og direktøren for Institute for Quantum Information and Matter, som forsikrede Vazirani om, at hans overflod var berettiget.
Preskill finder Rydberg-platforme (ikke kun QuEra's) interessant, fordi de producerer stærkt interagerende qubits, der er stærkt sammenfiltrede – “og det er der, kvantemagien er,” siger han. “Jeg er ret begejstret for potentialet på en relativt kort tidsskala for at opdage uventede ting.”
Ud over at simulere og forstå kvantematerialer og dynamik arbejder QuEra på kvantealgoritmer til løsning af beregningsmæssige optimeringsproblemer som er NP-komplette (det vil sige meget hårde). “Dette er virkelig de første eksempler på nyttige kvantefordele, der involverer videnskabelige anvendelser,” siger Lukin.