I ett litet laboratorium i den lummiga landsbygden omkring en mil Norr om new York city från taket hänger en komplex härva av rör och elektronik. Är en dator, om än stökigt. Och det är inte en vanlig dator. Kanske det som är avsett att bli en av de viktigaste i historien. Kvantdatorer lovar att utföra beräkningar långt utom räckhåll för någon vanlig superdator. De kan producera en revolution inom skapande av nya material, som gör det möjligt att simulera beteendet hos materia på atomär nivå. De kan föra med kryptering och datasäkerhet till en ny nivå, att bryta den hittills obegripliga koder. Det finns även en förhoppning om att de kommer att ge artificiell intelligens till en ny nivå, kommer att hjälpa honom mer effektivt att sålla och bearbeta data.
Och först nu, efter årtionden av framsteg, forskare äntligen nära att skapa en kvantdator, kraftfull nog att göra vad som vanliga datorer inte kan göra. Detta vackert landmärke som kallas “quantum överhöghet”. Rörelsen till detta landmärke leds av Google, följt av Intel och Microsoft. Bland dem — väl-finansierade startups: Rigetti Computing, IonQ, Quantum Kretsar, och andra.
Och fortfarande ingen kan konkurrera med IBM i detta område. För 50 år sedan, har bolaget gjort framsteg inom materialvetenskap, som lade grunden för den dator revolution. Så i oktober förra året, MIT Technology Review gick till Research center ‘ s Thomas J. Watson på IBM för att svara på frågan: vad är en kvantdator vara bra? Är det möjligt att bygga en praktisk, pålitlig kvantdator?
Varför behöver vi en kvantdator?
Denna forskning center som ligger i Yorktown heights, lite som ett flygande tefat som det var 1961. Det ritades av arkitekten Eero neofuturists Saarinen och byggdes under glansdagar IBM som Skapare av stora stordatorer för verksamheten. IBM var ett av de största dataföretag i världen, och över tio år med att bygga research center hon blev den femte största företaget i världen efter det att Ford och General Electric.
Även om de korridorer av byggnaden med utsikt över byn, konstruktionen är sådan att ingen av kontor inne med inga Fönster. I ett av dessa rum och hittade Charles Bennett. Nu är han 70, han hade stora vita polisonger, han var klädd i svarta strumpor med sandaler och till och med en penna fall med handtag. Omgiven av gamla datorskärmar, kemiska modeller och, oväntat, ett litet disco boll, han mindes födelse av quantum computing som om det var igår.
När Bennett gick IBM 1972, kvantfysik var redan för ett halvt sekel, men de beräkningar som fortfarande förlitade sig på klassisk fysik och matematisk teori av information som Claude Shannon, som utvecklats vid MIT under 1950-talet. Vad Shannon kvantifierad information av antal “bitar” (termen som han populärt, men inte uppfunnet) som krävs för dess förvaring. Dessa bitar, 0 och 1 en binär kod som utgjorde grunden för traditionella datorer.
Ett år efter ankomsten i Yorktown heights, Bennett har bidragit till att lägga Grunden för kvantinformation, som utmanade den tidigare. Hon använder bisarra beteende objekt på atomär skala. I sådana skalor partikel kan befinna sig i “överlagring” av flera Stater (många positioner) på samma gång. Två partiklar kan “fastna” så att byte av staten ett direkt svar på den andra.
Bennett och andra förstod att vissa typer av beräkningar som tar upp för mycket tid, eller till och med omöjligt, kan vara ett effektivt sätt att utföras med hjälp av kvantmekaniska fenomen. En kvantdator lagrar information i quantum bitar, eller qubits. Qubits kan finnas i superpositions av ettor och nollor (1 och 0), och den förvirring och de störningar som kan användas för att söka efter lösningar i ett stort antal Stater. Att jämföra quantum och klassiska datorer är inte helt rätt, men, bildligt talat, ett kvantsystem med flera hundra qubits kan producera mer beräkningar samtidigt än det finns atomer i det kända universum.
Sommaren 1981 av IBM och MIT, organiserade en milstolpe som heter “den Första konferensen om fysik computing”. Det hölls på hotell i Endicott House, en herrgård i fransk stil nära campus MIT.
På bilden, som Bennett gjorde under konferensen, på gräsmattan, kan du se några av de mest inflytelserika personerna i datorhistorien och kvantfysik, däribland Conrad Susa, som utvecklade den första programmerbara datorn, och Richard Feynman, som gjort viktiga bidrag till kvantmekaniska teorin. Feynman hålls på en viktig konferens-tal i vilket han tog upp idén med att använda kvantmekaniska effekter för datorer.
“Det största tryck kvantmekaniska teorin att information som erhållits från Feynman, säger Bennett. “Han sa: naturen är quantum, hennes mamma! Om vi vill simulera det, vi behöver en kvantdator.”
En kvantdator, IBM är ett av de mest lovande av alla, är rätt ner i korridoren från office of Bennett. Denna maskin är avsedd för skapande och hantering av en viktig del av en kvantdator: qubits att lagra information.
Glappet mellan dröm och verklighet
Smith maskinen använder kvantmekaniska effekter som uppstår i supraledande material. Till exempel, ibland kan det aktuella flöden medurs och moturs på samma gång. IBM-dator är att använda supraledande kretsar, där de qubit består av två olika elektromagnetisk energi i Medlemsstaterna.
Supraledande strategi har många fördelar. Hårdvara kan skapas med hjälp av välkända etablerade metoder, och för att styra systemet kan du använda en vanlig dator. Qubits i en supraledande krets lätta att manipulera och är mindre känslig än enskilda fotoner eller joner.
I quantum lab IBM-tekniker arbetar på en version för dator med 50 qubits. Du kan köra en enkel simulator av en kvantdator på en vanlig dator, men med 50 qubits skulle vara praktiskt taget omöjligt. Och det betyder att IBM är teoretiskt närma sig den punkt bortom vilken en kvantdator kan lösa problem otillgängliga för konventionell dator: med andra ord, quantum överlägsenhet.
Men forskare från IBM kommer att berätta för dig att quantum överlägsenhet är ett svårgripbart begrepp. Du kommer att behöva ha alla 50 alnar fungerade perfekt, när det i verkligheten kvantdatorer drabbas av fel. Också otroligt hårt för att upprätthålla qubits under en viss period, de tenderar att “decoherence”, som är till förlust av sin fina quantum naturen, som en rök ring löser upp vid minsta vind. Och mer qubits, svårare att klara båda uppgifterna.
“Om du hade 50 eller 100 qubits, och de verkligen skulle fungera tillräckligt bra, och var helt fri från fel du kan göra obegripligt beräkningar, vilket skulle det vara omöjligt att återge på en vanlig bil, inte nu, inte då eller i framtiden, säger Robert Selikoff, en Yale-Universitetet, Professor och grundare av Quantum Kretsar. “Den andra sidan av quantum computing är att det finns otroligt många möjligheter till fel”.
En annan anledning till försiktighet är att det inte ganska uppenbart hur användbart skulle det vara ännu en perfekt fungerande kvantdator. Det påskyndar inte bara lösningen av en uppgift som du kasta upp. I själva verket, i många typer av datorer, det kommer att vara oproportionerligt “dummare” av klassiska bilar. Inte många algoritmer har definierats vid vilken tidpunkt en kvantdator har en uppenbar fördel. Och även med dem, denna fördel kan vara kortlivade. Den mest kända stort algoritm som utvecklats av Peter Kor på MIT, för att hitta Främsta faktorer som heltal. Många kända kryptografiska system förlitar sig på det faktum att denna sök är extremt svårt att utföra vanliga dator. Men kryptografi kan anpassa och skapa nya typer av koden, inte förlita sig på faktorisering,.
Det är därför, inte ens närmar sig 50-cubitas milstolpe, IBM forskare försöker att skingra den hype. På bordet i hallen, som har utsikt över den grönskande gräsmattan utanför, är Jay Gambetta, en lång Australiska, utforska kvantalgoritmer och potentiella tillämpningar för IBM-utrustning. “Vi är i en unik position, säger han, att noga välja sina ord. “Vi har en enhet som är de svåraste som kan simuleras på en klassisk dator, men det är inte kontrolleras med tillräcklig precision för att utföra genom det vissa algoritmer”.
Som ger alla ilimskom hopp om att även en ofullkomlig kvantdator kan vara användbara.
Paris och andra forskare började med ett program som Feynman förutsåg tillbaka i 1981. Kemiska reaktioner och materials egenskaper bestäms av samspelet mellan atomer och molekyler. Dessa interaktioner kontrolleras av kvantmekaniska fenomen. En kvantdator kan (åtminstone i teorin) att modellera dem som inte kan konventionella.
Förra året Gambetta och hans kollegor vid IBM som används semicubical maskin för noggrann modellering av strukturen av beryllium-hydrid. Som endast består av tre atomer, denna molekyl är den mest komplexa av alla, som simuleras med hjälp av ett stort system. Så småningom kommer forskare att kunna använda kvantdatorer för utformningen av effektiva solceller, droger eller katalysatorer för att omvandla solljus till rena bränslen.
Dessa mål, naturligtvis, fortfarande ofattbart avlägsen. Men, säger Gambetta, värdefulla resultat kan härledas från parade quantum och klassiska datorer.
För fysik dröm, teknikers mardröm
“Den hype som driver den medvetenhet som quantum computing är riktiga, säger Isaac Chuang, Professor vid MIT. “Detta är inte drömmen om att fysik är en mardröm för ingenjör”.
Chuan ledde utvecklingen av den första kvantdatorer, som arbetar på IBM Almaden, Kalifornien, i slutet av 1990-talet till början av 2000-talet. Även om han inte längre fungerar för dem, han anser också att vi är i början av något mycket stort och att quantum computing kommer så småningom att spela en roll i utvecklingen av artificiell intelligens.
Han misstänker att revolutionen kommer inte att börja förrän en ny generation av studenter och hackare börja spela praktisk maskin. Quantum datorer kräver inte bara olika programmeringsspråk, men också ett helt annorlunda sätt att tänka om programmering. Som Gambetta säger, “vi vet inte vad som motsvarar av “Hello world” på ett kvantsystem”.
Men vi börjar med att titta. I och med 2016, IBM gick en liten kvantdator med molnet. Använda verktyg för programmering QISKit, du kan köra den enklaste av programmen, tusentals människor, från akademiker som är studenter, har skapat program för att QISKit att hantera enkla kvantalgoritmer. Nu Google och andra företag försöker också att få kvantdatorer online. De kunde inte göra mycket, men ge människor möjlighet att uppleva vad en kvantdatorer.
Allvarliga kvantdatorer är redo att använda. Vad kan de göra?
Ilya Hel