Foto: Getty
FirstsThis uge, vi tager et kig på de første ting, tidlige ting, og—for bedre eller værre ting, som er #1.
Inden for få dage, tilbage i 1998, to hold har offentliggjort resultaterne af den første virkelige verden kvantemekaniske beregninger. Men den første kvantecomputer ikke var computere til alle. De blev biokemi udstyr, bygger på den samme videnskab, som MR-maskiner.
Du kan tænke på quantum computing som en hyped-up-race mellem edb-virksomheder til at opbygge en stærk behandling af enheden, som vil gøre mere livagtige AI, revolutionere medicin, og knæk den kryptering, der beskytter vores data. Og ja, prototype quantum computere i slutningen af 1990’erne indirekte ført til quantum computere bygget af Google og IBM. Men det er ikke sådan det hele begyndte—det startede med fysikere er med til at fifle med matematik og biokemi udstyr til nysgerrighed skyld.
“Det var ikke motiveret på nogen måde ved at gøre bedre computere.”
“Det var ikke motiveret på nogen måde ved at gøre bedre computere,” Neil Gershenfeld, director for MIT ‘ s Center for Bits og Atomer og et medlem af et af de to hold, der først eksperimentelt indså quantum algoritmer, fortalte mig. “Det var en forståelse af, hvorvidt universet beregner, og hvordan universet beregner.”
Computere er kun systemer, der begynder med en indvindes input og anvende en serie af instruktioner til det, for at modtage et output. I dag er computere oversætte indgange, vejledning, – og udgange i switches, kaldet bits, der er lig enten nul eller én, og hvis værdier kontrollere andre afbrydere. Forskere har længe brugt computere til at simulere de af fysikkens love, i håb om bedre at forstå, hvordan universet fungerer—for eksempel, kan du simulere, hvor langt bolden vil gå baseret på, hvor det begynder, og hvor hurtigt den er kastet.
Men ved hjælp af bits til at simulere fysik ikke giver meget mening, at den berømte fysiker Richard Feynman, da lovgivningen i fysik ved den mindste skala, er rodfæstet i et sæt af regler, kaldet kvante-mekanik. “Naturen er ikke klassisk, for helvede, og hvis du ønsker at lave en simulering af naturen, du må hellere gøre det kvante mekaniske,” Feynman berømt sagde på et 1981 konference.
En lille gruppe af forskerne teorier om at bruge disse regler til at skabe bedre simuleringer i løbet af det følgende årti. I stedet for at switches, deres quantum simulation er bits er den dobbelte partikel-bølger af kvantemekanik. Hver enkelt quantum smule ville stadig være begrænset til to valg, men som bølger, de kan tage på en af disse stater, samtidig med varierende styrker, der interagerer med hinanden som bølger—enten forstærke styrken af visse kombinationer af valg eller annullering af kombinationer ud. Men når du måle disse kvante-bits, der hver straks snaps i en enkelt medlemsstat. Disse styrker, eller amplituder, oversætte til sandsynligheden for at ende med hvert resultat.
Gennem starten af 1990’erne, “folk troede, at quantum computing primært var gal, og mange havde [angiveligt] bevist, at det aldrig ville kunne arbejde,” Jonathan Jones, en fysik lektor ved University of Oxford, som var en af de første til at køre quantum algoritmer på en rigtig quantum computer, fortalte mig. Hovedsagelig, troede folk, det var bare en nysgerrighed skabt af teoretiske fysikere, der spekulerede på, om de kunne forstå universet sig i sproget af computere. Det syntes også, at finickiness af kvantemekanik—det faktum, at enhver lille mase kunne hurtigt snap skrøbelige qubits i single-tilstand partikler—ville gøre dem umulige at realisere.
To milepæle busted disse ideer. Fysiker Peter Shor afsløret en algoritme i 1994, der viste, at en computer, der er baseret på qubits kunne faktor stort antal tæt-eksponentielt hurtigere end den bedste bit-baserede algoritmer. Hvis forskerne kan opfinde en kvante-computer er avanceret nok til at køre algoritmen, så den kunne knække den populære moderne kryptering er baseret på det faktum, at det er nemt for klassiske computere til at multiplicere to store primtal sammen, men meget, meget svært at faktor resultatet tilbage til primtal. Det andet vendepunkt kom i midten af 90’erne, hvor fysikere begyndt at udvikle korrektion af fejl—den idé, at sprede en enkelt bendt værd af oplysninger på tværs af en række korreleret qubits til at mindske fejl.
Men selv efter at feltet var små, og de fysikere, vi talte med, at drøftet konferencer, hvor de fleste af verdens quantum computing forskere kunne passe ind i et værelse sammen. Quantum computing forløbere som Charlie Bennett, Isaac Chuang, Seth Lloyd, og David DiVincenzo kom op med masser af nye ideer, som sivet hurtigt gennem fællesskabet. Næsten samtidig har flere uafhængige grupper, der indså, at de lægelige og biokemiske industri havde længe været ved hjælp af en kvantecomputer i forskning—Nuklear Magnetisk Resonans, eller NMR-spektrometre.
NMR, teknologien bag MRI, de mest almindeligt består af et molekyle af interesse opløst i et flydende solvent, placeret i et kraftigt magnetfelt. Kerner af atomer i disse molekyler har en medfødt kvantemekaniske egenskab, der kaldes “spin”, der er det væsentlige den mindste enhed af magnetisk information, og kan være i en af to tilstande, “op” eller “ned”. Disse spins justér retning af feltet.
I medicin og biokemi, vil forskerne ramte molekyler med yderligere mindre oscillerende magnetiske felter, kaldet radiofrekvens pulser, hvilket får atomerne til at frigive karakteristiske signaler, der tilbyder fysisk oplysninger om molekylet. Magnetisk resonans imaging eller MR-maskiner i stedet bruger dette signal til at skabe et billede. Men de fysikere indså, at de kunne behandle visse molekyler i dette magnetiske felt, som quantum computere, hvor kerner serveres som qubits, spin stater var bendt værdier, og radiofrekvens pulser var både vejledningen og controllere. Det er disse operationer af kvante computere, også kaldet logiske gates, som de er i den klassiske computere.
“I en vis forstand, NMR faktisk havde været forud for andre felter i årtier,” sagde Jones, en biokemiker, der har gået sammen med fysiker Michele Mosca til at udføre en af de første kvantemekaniske beregninger. “De havde gjort logiske gates tilbage i 70’erne. De vidste bare ikke, hvad de gør, og ikke kalde det logiske gates.”
Fysikere, herunder Chuang, Gershenfeld og David Cory udgivet papirer, der beskriver, hvordan at realisere disse enheder i 1997. Et år senere, to hold, det ene med Jones og Mosca, og en anden med Chuang og Mark Kubinic, der faktisk udføres quantum algoritmer. Den tidligere bestod af cytosin molekyler, hvor to brint atomer er blevet erstattet med deuterium atomer, brint med en neutron. Sidstnævnte bruges chloroform molekyler. De forberedte qubits i første stater, der udføres en beregning ved anvendelse af et specielt udformet radio-frekvens puls og målt den endelige stater.
“De havde gjort logiske gates tilbage i 70’erne. De vidste bare ikke, hvad de gør, og ikke kalde det logiske gates.”
Vi har endnu ikke ofte hører om NMR quantum computere i dag, fordi selv da, fysikere vidste, at den teknik, der havde sine begrænsninger, noget alle de fysikere, som jeg talte med, der er nævnt. Flere qubits ville betyde mere specielt fremstillede molekyler. De teknikker, der stolede på specielle løsninger, sådan at hver ekstra bendt ville gøre det sværere at vælge de signal ud af baggrundsstøj. “Ingen troede, at det nogensinde ville blive brugt til mere end en demonstration,” fortæller Jones. De var bare ikke skalerbar, ud over et par qubits.
Stadig, de var vigtige, fysikere eksperimenter, der stadig er tale om i dag. NMR maskiner fortsat afgørende, at der biokemi og stadig har en plads i quantum teknologi. Men dette tidlige arbejde har forladt en vigtig indirekte effekt på området. Videnskaben bag dem radiofrekvens pulser har boet på i den kvante-computere, som Google, IBM og andre virksomheder, der har bygget for at kontrollere deres qubits. Kvante-computere, der kører Shor ‘ s algoritme er stadig årtier væk, selv i dag, men virksomheder er begyndt afsløringen af virkelige enheder, med snesevis af qubits, der kan udføre rudimentære og klart kvantemekaniske beregninger.
Charlie Bennet, IBM kolleger og quantum computing-veteran, har forklaret, at disse eksperimenter ikke var enorme opdagelser på egen hånd, og faktisk NMR-samfund havde været fremme sin egen videnskab og radiofrekvens pulser, før quantum computing kom sammen. Fysikerne jeg talte med forklarede, at ingen, der “vandt”, og der var ingen “race” tilbage i slutningen af 1990’erne. I stedet var det en overgang punkt langs en vej af trinvise fremskridt, et punkt i tiden, hvor grupper af forskere, der alle kom til at indse, at mennesker havde teknologien til at styre kvantetilstande og bruge dem i beregninger.
“Videnskab er altid sådan. Det hele beviser er vigtigere end næsten alle et papir,” sagde Bennett. “Der er vigtige opdagelser—men disse sjældent forekommer i enkelte papirer.”
Dele Denne Historie