Loppet är i full gång. Världens ledande företag försöker skapa den första kvantdatorn, baserad på teknik som länge har lovat forskare att hjälpa till att utveckla underbara nya material, perfekt datakryptering och exakt förutsäga förändringar i jordens klimat. En sådan maskin kommer troligen att dyka upp tidigare än tio år från och med nu, men detta stoppar inte IBM, Microsoft, Google, Intel och andra. De bokstavligen delar kvantbitar - eller qubits - på ett processorchip, bokstavligen. Men vägen till kvantberäkning innebär mycket mer än att manipulera subatomära partiklar.
En kvbit kan representera 0 och 1 samtidigt, tack vare det unika kvantfenomenet superposition. Detta gör att qubits kan utföra en enorm mängd beräkning på samma gång, vilket kraftigt ökar beräkningshastigheten och kapaciteten. Men det finns olika typer av qubits, och inte alla skapas desamma. I ett programmerbart kiselkvantchip bestäms till exempel värdet på en bit (1 eller 0) av rotationsriktningen för dess elektron. Men qubits är extremt bräckliga, och vissa behöver temperaturer så höga som 20 millikelvin - 250 gånger kallare än i djupa rymden - för att förbli stabila.
Naturligtvis är en kvantdator inte bara en processor. Dessa nästa generations system kommer att kräva nya algoritmer, ny mjukvara, anslutningar och ett gäng teknik som ännu är att uppfinnas som drar nytta av kolossal datorkraft. Dessutom måste resultaten från beräkningarna lagras någonstans.
"Om det inte hade varit så svårt, hade vi redan gjort en sådan," säger Jim Clark, chef för kvanthårdvara på Intel Labs. På CES i år avslöjade Intel en 49-kbitbit processor, kodnamnet Tangle Lake. För några år sedan skapade företaget en virtuell miljö för att testa kvantprogramvara; den använder den kraftfulla Stampede-superdatorn (vid University of Texas) för att simulera en 42-bitars processor. För att faktiskt förstå hur man skriver programvara för kvantdatorer krävs emellertid simulering av hundratals eller till och med tusentals qubits, säger Clarke.
Scientific American intervjuade Clarke om de olika metoderna för att bygga en kvantdator, varför de är så bräckliga och varför hela saken tar så lång tid. Det kommer att vara intressant för dig.
Hur skiljer sig kvantberäkning från traditionell databehandling?
Kampanjvideo:
En vanlig metafor som används för att jämföra de två beräkningarna är ett mynt. I en traditionell datorprocessor är transistorn antingen huvud eller svansar. Men om du frågar vilken sida myntet står inför när det snurrar, kommer du att säga att svaret kan vara båda. Så här fungerar kvantberäkning. Istället för de vanliga bitarna som representerar 0 eller 1 har du en kvantbit som representerar både 0 och 1 på samma gång tills qubitten slutar snurra och går in i ett lugnt tillstånd.
Statligt utrymme - eller förmågan att iterera över ett stort antal möjliga kombinationer - är exponentiellt när det gäller en kvantdator. Föreställ dig att jag har två mynt i min hand och att jag kastar dem i luften samtidigt. När de roterar representerar de fyra möjliga tillstånd. Om jag kastar tre mynt i luften representerar de åtta möjliga tillstånd. Om jag kastar femtio mynt i luften och frågar dig hur många stater de representerar, är svaret ett tal som till och med den mäktigaste superdatorn i världen inte kan beräkna. Tre hundra mynt - fortfarande ett relativt litet antal - kommer att representera fler tillstånd än atomer i universum.
Varför är qubits så bräckliga?
Verkligheten är att mynt, eller qubits, så småningom slutar snurra och kollapsa i ett visst tillstånd, vare sig det är huvud eller svansar. Målet med kvantberäkning är att hålla den snurrande i superposition i en uppsättning stater under lång tid. Föreställ dig att ett mynt snurrar på mitt bord och att någon skjuter på bordet. Myntet kan falla snabbare. Buller, temperaturförändringar, elektriska fluktuationer eller vibrationer kan alla störa qubitns funktion och leda till att dess data förloras. Ett sätt att stabilisera vissa typer av qubits är att hålla dem kalla. Våra qubits körs i ett kylskåp i storleken 55 gallon och använder en speciell isotop av helium för att kyla dem till nästan absolut noll.
Hur skiljer sig olika typer av bitar från varandra?
Det finns inte mindre än sex eller sju olika typer av qubits, och cirka tre eller fyra av dem övervägs aktivt för användning i kvantdatorer. Skillnaden är hur man manipulerar qubitsna och får dem att kommunicera med varandra. Du behöver två qubits för att kommunicera med varandra för att utföra stora "intrasslade" beräkningar, och olika typer av qubits trasslar sig in på olika sätt. Den typ som jag har beskrivit som kräver extrem kylning kallas ett superledande system, som inkluderar vår Tangle Lake-processor och kvantdatorer byggda av Google, IBM och andra. Andra tillvägagångssätt använder svängande laddningar av fångade joner - hålls på plats i en vakuumkammare av laserstrålar - som fungerar som qubits. Intel utvecklar inte fångade jonsystem eftersom det kräver djup kunskap om lasrar och optik,vi kan inte göra det.
Men vi studerar en tredje typ, som vi kallar kiselsnurr-qubits. De ser exakt ut som traditionella kiseltransistorer, men fungerar på en enda elektron. Spin qubits använder mikrovågsimpulser för att kontrollera rotationen av en elektron och frigör kvantkraften. Denna teknik är idag mindre mogen än superledande qubit-teknik, men det är troligtvis mycket mer benägna att skala och bli kommersiellt framgångsrikt.
Hur kommer jag till denna punkt härifrån?
Det första steget är att göra dessa kvantchips. Samtidigt har vi utfört simuleringar på en superdator. För att köra Intels kvantsimulator krävs cirka fem biljoner transistorer för att simulera 42 kBbit. Det tar en miljon bit eller mer för att nå kommersiell räckvidd, men börjar med en simulator som denna kan bygga den grundläggande arkitekturen, kompilatorer och algoritmer. Tills vi har fysiska system som kommer att inkludera från några hundra till tusen qubits är det inte klart vilken typ av programvara vi kan köra på dem. Det finns två sätt att öka storleken på ett sådant system: ett är att lägga till fler qubits, vilket kommer att kräva mer fysiskt utrymme. Problemet är att om vårt mål är att bygga datorer med en miljon qubits, kommer matematik inte att tillåta dem att skala bra. Ett annat sätt är att komprimera den inre dimensionen i den integrerade kretsen, men detta tillvägagångssätt kräver ett superledande system, vilket måste vara enormt. Spin qubits är en miljon gånger mindre, så vi letar efter andra lösningar.
Dessutom vill vi förbättra kvaliteten på qubits, vilket hjälper oss att testa algoritmer och bygga vårt system. Kvalitet hänvisar till noggrannheten med vilken information kommuniceras över tid. Även om många delar av ett sådant system kommer att förbättra kvaliteten, kommer de största vinsterna att uppstå genom att utveckla nya material och förbättra noggrannheten för mikrovågsimpulser och annan styrelektronik.
Nyligen höll den amerikanska underkommittén för digital handel och konsumentskydd en utfrågning om kvantberäkning. Vad vill lagstiftare veta om denna teknik?
Det finns flera utfrågningar i samband med olika kommittéer. Om vi tar kvantberäkning kan vi säga att det här är datorteknologier under de kommande 100 åren. Det är bara naturligt att USA och andra regeringar är intresserade av deras möjligheter. Europeiska unionen har en plan på flera miljarder dollar för att finansiera kvantforskning i hela Europa. Kina förra hösten tillkännagav en forskningsbas på 10 miljarder dollar som kommer att fokusera på kvantinformatik. Frågan är, vad kan vi göra som ett land på nationell nivå? En nationell strategi för kvantberäkning bör drivas av universitet, myndigheter och industri och arbeta tillsammans om olika aspekter av tekniken. Standarder är definitivt nödvändiga vad gäller kommunikation eller mjukvaruarkitektur. Arbetskraft är också ett problem. Om jag nu öppnar en ledig plats för en kvantberäkningsexpert är det troligt att två tredjedelar av de sökande befinner sig utanför USA.
Vilken inverkan kan kvantberäkning ha på utvecklingen av konstgjord intelligens?
Typiskt kommer de första föreslagna kvantealgoritmerna att fokusera på säkerhet (t.ex. kryptografisk) eller kemi och materialmodellering. Detta är problem som i grund och botten är olösliga för traditionella datorer. Men det finns massor av startups och grupper av forskare som arbetar med maskininlärning och AI med införandet av kvantdatorer, till och med teoretiska. Med tanke på den tidsram som krävs för AI-utveckling, förväntar jag mig att traditionella chips optimeras specifikt för AI-algoritmer, som i sin tur kommer att påverka utvecklingen av kvantchips. I alla fall kommer AI definitivt att öka kvantberäkningen.
När kommer vi att se arbetande kvantdatorer lösa verkliga problem?
Den första transistorn skapades 1947. Den första integrerade kretsen var 1958. Intels första mikroprocessor - som innehöll cirka 2500 transistorer - kom inte ut förrän 1971. Var och en av dessa milstolpar har separerats med mer än ett decennium. Folk tror att kvantdatorer är precis runt hörnet, men historien visar att framsteg tar tid. Om vi på tio år har en kvantdator med några tusen bitar kommer den definitivt att förändra världen precis som den första mikroprocessorn gjorde.
Ilya Khel
