Løbet er i fuld gang. Verdens førende virksomheder forsøger at skabe den første kvantecomputer, der er baseret på teknologi, lang lovende forskere til at bistå i udviklingen af fantastiske nye materialer, den ideelle kryptering af data og præcise prognoser ændringer i Jordens klima. En sådan bil vil blive vist ikke ældre end ti år, men det er ikke at stoppe IBM, Microsoft, Google, Intel og andre. De bogstaveligt talt lægge det stykke af kvante-bits – eller qubits – processor chip. Men vejen til quantum computing rummer meget mere end manipulation af subatomare partikler.
Et øjebliksbillede, som kan udgøre 0 og 1 samtidig, på grund af den unikke kvante fænomen superposition. Dette giver qubits til at holde et stort antal beregninger på én gang, hvilket er betydeligt øget beregningsmæssige hastighed og kapacitet. Men der er forskellige typer af qubits, ikke alle af dem er skabt lige. I programmerbare silicium quantum chip, for eksempel, en smule værdi (1 eller 0) er bestemt af den retning af rotation af elektroner. Men qubits er meget skrøbelige, og nogle har brug for en temperatur på 20 millikelvin – 250 gange koldere end deep space for at forblive stabilt.
Selvfølgelig, en kvante-computer er processoren. Disse nye generation af systemer vil kræve nye algoritmer, ny software, links og en masse endnu ikke opfundet, teknologi, som udnytter den enorme regnekraft. Hertil kommer, at resultaterne af beregningerne bliver nødt til at være gemt et eller andet sted.
“Hvis det ikke havde været så hårdt, vi ville have lavet en,” siger Jim Clark, Direktør i quantum hardware i Intel Labs. På CES i år, Intel introducerede den 49-kubicova processor med kodenavnet Virvar Søen. For et par år siden, har virksomheden skabt et virtuelt miljø for test af quantum; den bruger meget kraftig supercomputer Bisse (Texas Universitet) til at simulere den 42-cubatobaco processor. Men for virkelig at forstå, hvordan man skriver software til kvante-computere, er vi nødt til at simulere hundredvis eller endda tusindvis af qubits, siger Clark.
Scientific American tog Clark ‘ s interview, hvor han talte om de forskellige tilgange til at skabe en quantum computer, hvorfor de er så skrøbelige, og hvorfor det hele tager så meget tid. Vil du være interesseret i.
End quantum computing adskiller sig fra det traditionelle?
En fælles metafor, der bruges til at sammenligne to typer af beregninger er en mønt. I en traditionel computer processor er transistoren enten “plat” eller “krone”. Men hvis du spørger, hvilken side mønten ser ud, når at dreje, vil du sige, at svaret kan være både. Så arrangeret quantum computation. I stedet for den sædvanlige bits til at repræsentere 0 eller 1, har du en kvante-bit, der er både 0 og 1, så længe bendt vil ikke stopper og kommer til at hvile.
Staten plads eller mulighed for at sortere gennem et stort antal af mulige kombinationer – i tilfælde af en quantum computer eksponentielt. Forestil dig, at jeg har i min hånd, at to mønter, og jeg kaste dem i luften på samme tid. Som de spin, repræsenterer de fire mulige tilstande. Hvis jeg kaste tre mønter op i luften, vil de repræsenterer otte mulige tilstande. Hvis jeg får kastet op i luften halvtreds mønter og vil spørge dig, hvor mange af de Lande, som de repræsenterer, svaret er et tal, der ikke kan beregne, selv de mest magtfulde supercomputer i verden. Tre hundrede mønter er stadig et relativt lille antal ville bære flere Stater end atomer i Universet.
Hvorfor qubits er så skrøbelig?
Virkeligheden er, at mønter eller qubits, stopper spinding og kvanter sammenbrud i mørke i en bestemt stat, uanset om det er plat eller krone. Målet med quantum computing er at opretholde deres rotation i en superposition af de Stater, der i lang tid. Forestil dig, at på mit Skrivebord spinning en mønt, og en person skubber bordet. Mønten kan falde hurtigere. Støj, ændringer i temperatur, elektriske svingninger eller vibrationer kan alle blande sig med bendt og føre til tab af data. En af de måder til at stabilisere qubits af visse typer, er at holde dem kolde. Vores qubits arbejder i køleskab størrelsen af en tønde er 55 liter og brug en særlig isotop af helium til at køle ned til en temperatur på næsten det absolutte nulpunkt.
Som forskellige typer af qubits forskellige?
Der er mindst seks eller syv forskellige typer af qubits, og om tre eller fire af dem aktivt anses for quantum computer. Forskellen ligger i, hvordan til at manipulere qubits og gøre dem til at interagere med hinanden. Behovet for at to bendt kommunikeret med hinanden at foretage store “kompliceret” beregninger, og forskellige typer af qubits er viklet ind i forskellige måder. Jeg beskrevet en type, der kræver akut køling, kaldes en superledende system, der omfatter en processor Virvar Søen, og kvante-computere bygget af Google, IBM og andre. Andre tilgange til at bruge oscillerende afgifter fangede ioner holdes på plads i et vakuumkammer med laserstråler, der spiller rollen som qubits. Intel udvikler systemer med indfangede ioner, fordi det er nødvendigt dyb viden om lasere og optik, kan vi ikke gøre det.
Men vi studere en tredje type, som kaldes silicium spin qubits. De ser ligesom de traditionelle silicium transistorer, men opererer med en enkelt elektron. Spin qubits brug af mikrobølgeovn impulser til at styre spin af elektroner og frigive sin quantum af kraft. I dag er denne teknologi, der er mindre Modne end den teknologi, der superledende qubits, dog, kan være meget mere tilbøjelige til at skalere og blive en kommerciel succes.
Hvordan at komme til dette punkt her?
Det første skridt er at gøre disse quantum chips. På samme tid, vi har udført en simulering på en supercomputer. At køre en quantum simulator for Intel, vi har omkring fem milliarder transistorer til modellering 42 qubits. For at opnå den kommercielle nå at omkring en million qubits eller mere, men begynder med en simulator, som denne, kan du bygge den grundlæggende arkitektur, compilere og algoritmer. Indtil vi finder nogle fysiske system, der vil omfatte fra flere hundrede til tusinder af qubits, det er uklart, hvilken software vi vil være i stand til at køre. Der er to måder at øge størrelsen af et sådant system: den ene er at tilføje flere qubits, som vil kræve mere fysisk plads. Problemet er, at hvis vores mål er at skabe computere i en million qubits, matematik vil ikke tillade dem at korrekt skala. En anden måde er at formindske den indvendige dimension af den integrerede kredsløb, men en sådan strategi vil kræve en superledende system, og det skal være stort. Spin qubits i en million gange mindre, så vi er på udkig efter andre løsninger.
Hertil kommer, at vi ønsker at forbedre kvaliteten qubits, der vil hjælpe os med at teste algoritmer og skabe vores system. Kvalitet refererer til den præcision med hvilken information, der er fremsendt med tiden. Selv om mange dele af systemet vil forbedre den kvalitet, de største gevinster opnås gennem udvikling af nye materialer og forbedring af nøjagtigheden af mikrobølgeimpulser og andre kontrol-elektronik.
For nylig, Underudvalget for digital handel og forbrugerbeskyttelse Usa afholdt høringer om kvantecomputere. Hvad lovgiverne ønsker at vide om denne teknologi?
Der er flere høringer af forskellige udvalg. Hvis du tager den kvantemekaniske beregninger, kan vi sige, at det er design og de næste 100 år. For Usa og andre regeringer, der helt naturligt være interesseret i deres lejlighed. Den Europæiske Union har en plan for milliarder af dollars i støtte til quantum forskning på tværs af Europa. Sidste efterår, Kina, annonceret en forskning base til $ 10 millioner, som vil fokusere på quantum information science. Spørgsmålet er: hvad kan vi gøre som et land, der på nationalt plan? National strategi for kvantemekaniske beregninger skal køres ved universiteter, regeringer og virksomheder, der arbejder sammen om forskellige aspekter af teknologi. Standarder er helt sikkert nødvendigt, fra synspunkt af kommunikations-eller software-arkitektur. Arbejdsstyrken er også et problem. Nu, hvis jeg åbner den ledige stilling som ekspert på quantum computing, to-tredjedele af de ansøgere, der er tilbøjelige til at være fra lande uden for USA.
Hvad er virkningen af quantum computing på udviklingen af kunstig intelligens?
Som regel er de første forslag til quantum algoritmer, der vil blive dedikeret til sikkerhed (fx, kryptografiske) eller kemi og modellering af materialer. Dette problemer, der er fundamentalt intraktabel i traditionelle computere. Ikke desto mindre er der masser af nystartede virksomheder og grupper af forskere, som arbejder på machine learning og AI med indførelsen af kvante computere, selv teoretisk. I betragtning af den tidsramme, der kræves for at udvikle AI, jeg ville forvente de traditionelle chips, der er optimeret specielt til algoritmer til AI, som igen vil påvirke udviklingen af en quantum chip. I alle tilfælde, AI vil helt sikkert få et løft fra quantum computing.
Når vi se, at arbejdet kvante-computere, der vil løse et reelt problem?
Den første transistor blev oprettet i 1947. Det første integrerede kredsløb i 1958. Den første mikroprocessor, Intel, som indeholdt cirka 2.500 transistorer – kommer først i 1971. Hver af disse milepæle blev delt mere end et årti. Folk tror, at kvante-computere, der allerede er rundt om hjørnet, men historien viser, at alle resultater kræver tid. Hvis i 10 år vil vi have quantum computer på et par tusinde qubits, det er helt sikkert kommer til at ændre verden, ligesom den har ændret den første mikroprocessor.
Hvor tæt er vi på at skabe en kvantecomputer?
Ilya Hel