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FirstsThis Woche werfen wir einen Blick auf den ersten Dinge, die frühen Sachen, und für besser oder schlechter, Dinge, die sind #1.
Innerhalb weniger Tage von jedem anderen im Jahr 1998 mit zwei teams veröffentlicht die Ergebnisse des ersten real-world-Quanten-Berechnungen. Aber der erste Quanten-Computer nicht Computer. Sie waren Biochemie Ausrüstung verlassen Sie sich auf die gleiche Wissenschaft wie MRI-Maschinen.
Man könnte meinen, der Quanten-computing als Hype-up-Rennen zwischen computer-Unternehmen zu bauen, eine leistungsfähige Verarbeitung Gerät, dass mehr lebensechte KI, revolutionieren Medizin und knacken die Verschlüsselung schützt unsere Daten. Und in der Tat, der Prototyp von Quanten-Computern in den späten 1990er Jahren indirekt führte zu der Quanten-Computer gebaut von Google und IBM. Aber das ist nicht, wie es begann—es begann mit dem Physiker basteln mit Mathematik und Biochemie Ausrüstung für Neugier Willen.
“Es war nicht motiviert, in irgendeiner Weise durch bessere Computer.”
“Es war nicht motiviert, in irgendeiner Weise durch bessere Computer,” Neil Gershenfeld, der Direktor des MIT Center for Bits and Atoms ” und Mitglied eines der beiden teams, die ersten experimentell realisiert Quanten-algorithmen, hat es mir gesagt. “Es war, herauszufinden, ob das Universum berechnet, und wie das Universum berechnet.”
Sind die Computer-Systeme, die beginnen mit einem input abstrahiert und gelten eine Reihe von Anweisungen, um es in Ordnung zu erhalten eine Ausgabe. Die heutigen Computer übersetzen-Eingänge, Anweisungen und Ausgänge in-Schalter, genannt bits, die entweder gleich null oder eins ist und deren Werte, die Kontrolle über andere switches. Wissenschaftler haben lange gebraucht Computern zu simulieren, die Gesetze der Physik, in der Hoffnung, besser zu verstehen, wie das Universum funktioniert—zum Beispiel, können Sie simulieren, wie weit ein ball Fliegen wird, basierend auf, wo es beginnt und wie schnell er geworfen wird.
Aber mit bits zu simulieren Physik nicht viel Sinn, berühmten Physiker Richard Feynman, da die Gesetze der Physik auf der kleinsten Skala sind verwurzelt in einer Reihe von Regeln genannt Quantenmechanik. “Die Natur ist nicht Klassik, verdammt noch mal, und wenn Sie wollen, um eine simulation der Natur, würden Sie besser machen es quantenmechanisch” Feynman sagte einst bei einer Konferenz 1981.
Eine kleine Gruppe von Wissenschaftler die Theorie über die Verwendung dieser Regeln zu besseren Simulationen während der folgenden Dekade. Anstelle von Schaltern, quantum Simulations-bits sind die dual-Teilchen-Wellen der Quantenmechanik. Jeder einzelne quantenbits wäre immer noch nur zwei Möglichkeiten, aber die Wellen, Sie können auf jeder dieser Staaten gleichzeitig mit unterschiedlichen stärken, die Interaktion mit einer anderen, wie die Wellen des Ozeans, entweder die Verstärkung der Kraft von bestimmten Kombinationen von Entscheidungen oder stornieren Kombinationen aus. Aber wenn Sie Messen dieser Quanten-bits, die jeweils sofort rastet in einem einzelnen Staat. Jene Kräfte, oder Amplituden, übersetzen, die Wahrscheinlichkeit, am Ende mit jedem Ergebnis.
Durch den frühen 1990er Jahren, “die Leute dachten, dass Quanten-computing im wesentlichen war verrückt, und hatte vielen [vermeintlich] bewiesen, dass es niemals funktionieren”, Jonathan Jones, professor für Physik an der Universität von Oxford, war einer der ersten, die Quanten-algorithmen, die auf einem echten Quantencomputer, erzählte Sie mir. Vor allem, die Leute dachten, es war nur eine Neugier erstellt von theoretischen Physikern, die sich fragten, ob Sie könnten das Universum verstehen sich in der Sprache von Computern. Es schien auch, dass die finickiness der Quantenmechanik—die Tatsache, dass jede leichte drängeln konnte schnell snap fragile qubits in einem einzigen Staat Partikel—würde Sie unmöglich zu realisieren.
Zwei Meilensteine kaputt diese Ideen. Physiker Peter Shor vorgestellt, ein Algorithmus, im Jahr 1994, die zeigte, dass ein computer auf Basis qubits könnte Faktor großer Zahl in der Nähe-exponentiell schneller als die besten bit-basierten algorithmen. Wenn Wissenschaftler erfinden könnte ein Quanten-computer erweitert genug, um führen Sie den Algorithmus, dann könnte es krachen, die beliebte moderne Verschlüsselungssysteme basieren auf der Tatsache, dass es einfach ist für klassische Computer multiplizieren von zwei großen Primzahlen zusammen, aber sehr, sehr schwer Faktor, der das Ergebnis wieder in Primzahlen. Der zweite Wendepunkt kam Mitte der 90er Jahre, als Physiker begann mit der Entwicklung von Fehlerkorrektur—die Idee der Verbreitung eines einzigen qubit den Wert von Informationen über eine Reihe von korrelierten qubits zur Verringerung der Fehler.
Aber auch danach, das Feld war klein, und die Physiker Sprachen wir auf Konferenzen diskutiert, an der die meisten der weltweit quantum-computing-Wissenschaftler konnten in einen Raum passen zusammen. Quantum computing-Vorreiter wie Charlie Bennett, Isaac Chuang, Seth Lloyd, und David Divicenzo kamen mit vielen neuen Ideen, sickerte durch, schnell durch die community. Fast gleichzeitig, mehrere unabhängige Gruppen realisiert, dass die Medizin-und Biochemie-Industrie hatte lange mit einem Quanten-computer in der Forschung—Kernspinresonanz-oder NMR-Spektrometer.
NMR, die Technologie, die hinter MRI, die am häufigsten besteht aus einem Molekül von Interesse, aufgelöst in einem flüssigen Lösungsmittel, der sich in einem starken magnetischen Feld. Die Kerne der Atome in diesen Molekülen haben eine angeborene quantenmechanische Eigenschaft namens “spin”, die im wesentlichen die kleinste Einheit der magnetischen Informationen und können in einem der beiden Staaten, “up” oder “down”. Diese spins auszurichten mit der Richtung des Feldes.
In der Medizin und Biochemie, Wissenschaftler schlagen die Moleküle mit zusätzlichen kleineren oszillierende Magnetfelder, die sogenannte radio-Frequenz-Impulse, wodurch die Atome zu release charakteristischen Signalen, bieten sich die physikalischen Informationen über das Molekül. Magnetic resonance imaging oder MRI-Maschinen statt mit diesem signal ein Bild zu kreieren. Aber die Physiker erkannten, dass Sie behandeln konnten bestimmte Moleküle in das Magnetfeld der Quanten-Computern, wo die Kerne dienten als qubits, die spin-Zustände qubit-Werte, und die radio-Frequenz-Impulse wurden sowohl die Anweisungen und Steuerungen. Dies sind die Operationen von Quanten-Computern, die auch als Logik-Gatter, wie Sie in klassischen Computern.
“In einem gewissen Sinn -, NMR -, hatte eigentlich schon vor den anderen Bereichen seit Jahrzehnten”, sagte Jones, ein Biochemiker, der zusammen mit dem Physiker Michele Mosca, führen Sie eine der ersten quantenmechanischen Berechnungen. “Sie hatte getan, logic gates in den 70ern. Sie wusste einfach nicht, was Sie Taten und nicht nennen es Logik-Gatter.”
Physiker einschließlich Chuang, Gershenfeld und David Cory veröffentlicht Papiere, die beschreiben, wie zu erkennen, diese Geräte in 1997. Ein Jahr später, zwei teams, eines mit Jones und Mosca und andere mit Chuang und Mark Kubinic, tatsächlich ausgeführt hat, die Quanten-algorithmen. Der ehemalige Bestand der Cytosin-Moleküle, in denen zwei Wasserstoffatome ersetzt wurden mit deuterium-Atome—Wasserstoff mit einem neutron. Die letztere chloroform-Molekülen. Sie bereiteten die qubits in einem anfänglichen Zustand, erfolgt eine Berechnung durch die Anwendung einer speziell gestalteten radio-Frequenz-Puls und Maß den Endstand.
“Sie hatte getan, logic gates in den 70ern. Sie wusste einfach nicht, was Sie Taten und nicht nennen es Logik-Gatter.”
Wir haben nicht oft hören, über NMR-Quanten-Computern, die heute, denn auch dann, Physiker wusste, dass die Technik hatte Ihre Grenzen, etwas, was alle Physiker die ich mit Sprach, erwähnt. Mehr qubits würde bedeuten, dass mehr speziell gestalteten Molekülen. Die Techniken stützten sich auf spezielle workarounds, so dass jedes zusätzliche qubit-würde es schwieriger machen, zu Holen das signal aus dem hintergrund-Rauschen. “Niemand hätte gedacht, dass es jemals verwendet werden, für mehr als eine demonstration,” Jones sagte. Sie waren einfach nicht skalierbar über ein paar qubits.
Noch, Sie waren wichtige Experimente, die Physiker noch heute sprechen. NMR-Maschinen bleiben entscheidend für Biochemie und habe immer noch einen Platz in der quantum-Technologie. Aber diese frühe Arbeit hat Links einen wichtigen, indirekten Einfluss auf das Gebiet. Die Wissenschaft hinter dieser radio-Frequenz-Impulsen gelebt hat, in der Quanten-Computer, Google, IBM und anderen Firmen gebaut haben, um die Kontrolle über Ihre qubits. Quanten-Computer mit Shor ‘ s Algorithmus sind noch Jahrzehnte entfernt, auch heute, aber die Unternehmen haben begonnen, die Enthüllung Reale Geräte mit Dutzenden von qubits ausführen kann rudimentär und klar quantum Berechnungen.
Charlie Bennet, IBM fellow und quantum computing-veteran, erklärte, dass diese Experimente waren nicht enorme Entdeckungen auf eigene Faust, und in der Tat der NMR-Gemeinschaft hatte die Weiterentwicklung der eigenen Wissenschaft und der radio-Frequenz-Impulsen vor quantum-computing-entlang kam. Die Physiker, die ich mit Sprach, erklärte, dass niemand “gewonnen” und es war kein “Rennen” zurück in die späten 1990er Jahre. Stattdessen war es ein übergangspunkt entlang der Straße der inkrementellen Fortschritt, ein Punkt in der Zeit, in der die Gruppen der Wissenschaftler kam zu der Erkenntnis, dass der Mensch hatte die Technologie zur Kontrolle quantenzustände und nutzen Sie für Berechnungen.
“Wissenschaft ist immer so. Der gesamte Beweis ist wichtiger als fast jeder ein Papier,” sagte Bennett. “Es gibt wichtige Entdeckungen, aber diese treten selten auf, in einzelnen Papieren.”
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