Efter decennier av hårt arbete utan mycket hopp om framgång utvecklades plötsligt en hektisk aktivitet kring kvantberäkning. För nästan två år sedan visade IBM världen en kvantdator med fem kvantbitar (qubits), som de nu (som låter lite konstigt) kallar IBM Q Experience. Då var enheten mer som en leksak för forskare än ett verktyg för allvarlig databehandling. Emellertid har 70 tusen användare över hela världen registrerat sig i projektet, och nu har antalet qubits fyrdubblats. För några månader sedan meddelade IBM och Intel skapandet av kvantdatorer med 50 och 49 bitar. Det är också känt att en annan dator väntar i vingarna inom väggarna på Google. "Gemenskapen är full av energi och de senaste genombrotten är fantastiska."- säger fysiker Jens Eisert från Free University of Berlin.
För närvarande talas det om förestående "kvantöverlägsenhet": tiden då en kvantdator kan utföra en uppgift utöver kraften hos även de mest kraftfulla klassiska superdatorerna. Om vi bara jämför siffror, kan ett sådant uttalande verka löjligt: 50 qubits kontra miljarder klassiska bitar på vilken bärbar dator som helst. Men hela poängen med kvantberäkning är att kvantbiten kan mycket mer än den klassiska. Under en lång tid trodde man att 50 qubits skulle räcka för att göra beräkningar som en konventionell dator skulle utföra på obestämd tid. I mitten av 2017 meddelade forskare på Google att de skulle visa kvantöverlägsenhet i december. (På en nyligen begäran om ny data svarade en talesman för företaget: "Vi kommer att meddela resultat,så snart de är tillräckligt underbyggda, men för tillfället genomförs en grundlig analys av den befintliga utvecklingen. ")
Jag vill dra slutsatsen att alla huvudproblem kan lösas och framtiden, där kvantdatorer är ett allestädes närvarande fenomen, är bara en fråga om teknisk utrustning. Men han kommer att ha fel. De fysiska frågorna i hjärtat av kvantberäkningen är fortfarande långt ifrån att lösas.
Även om vi snart går in i en era med kvantöverlägsenhet kan nästa år eller två vara avgörande - kommer kvantdatorer verkligen att förändra det sätt vi gör beräkning? Insatserna är fortfarande höga och det finns ingen garanti för att målet uppnås.
Håll käften och beräkna
Både fördelarna och utmaningarna med kvantberäkning är inneboende i fysiken som gör det möjligt. Grunderna har redan sagts mer än en gång, även om det inte alltid har klargjorts vad kvantmekanik kräver. Klassiska datorer lagrar information och bearbetar den i binär kod (0 eller 1). I kvantdatorer är situationen nästan densamma, bara varje bit är i den så kallade superpositionen, det vill säga den kan vara både 0 och 1 på samma gång. Detta innebär att tillståndet för en kvbit endast kan bestämmas med en viss grad av sannolikhet.
För att utföra en beräkning med ett stort antal qubits måste alla vara i inbördes beroende superpositioner - i ett tillstånd av "kvantkoherens", där alla qubits anses vara sammankopplade. I det här fallet kan den minsta förändringen i en kvbit påverka alla andra. Det vill säga beräkningar som använder qubits har högre prestanda än med klassiska bitar. I en klassisk enhet är beräkningsfunktioner helt enkelt beroende av antalet bitar, men tillägget av varje ny qubit ökar kapaciteten för en kvantdator med två gånger. Därför är skillnaden mellan en 5-qubit-enhet och en 50-qubit-enhet så betydande.
Kampanjvideo:
Notera, jag sa inte, som ofta görs, att fördelen med en kvantdator jämfört med en klassisk ligger i förekomsten av superpositioner, vilket kraftigt ökar antalet möjliga tillstånd för kodad information. Som jag inte sa, gör intrassling att många beräkningar kan utföras samtidigt. (Egentligen är en hög grad av förvirring av qubits inte en förutsättning.) Det finns viss sanning i detta, men ingen av uttalandena beskriver kärnan i kvantberäkning.
På grund av komplexiteten i att förstå kvantmekanik är det en skrämmande uppgift att förklara varför kvantberäkning är så kraftfull. Ekvationerna i kvantteori visar definitivt att den kommer att fungera - åtminstone med vissa typer av beräkningar: factoring eller sökning i en databas påskyndar processen enormt. Men hur mycket exakt?
Det kanske säkraste sättet att beskriva kvantberäkning är att säga att kvantmekanik på något sätt skapar "möjligheter" för beräkning som inte är tillgängliga för klassiska enheter. Som fysiker Daniel Gottesman från Perimeter Institute for Theoretical Physics (Perimeter Institute) i Waterloo noterade: "Om tillräckligt med kvantmekanik finns tillgängligt, är processen på ett sätt påskyndande, och om inte är den inte."
Även om vissa punkter fortfarande är tydliga. Kvantberäkning kräver att alla bitar är koherenta, vilket är extremt svårt att implementera. Interaktionen mellan systemet med koherenta qubits med miljön skapar kanaler genom vilka sammanhang snabbt "läcker". Denna process kallas decoherence. Forskare som planerar att bygga en kvantdator måste förhindra decoherence. Nu lyckas de bara stoppa henne i en sekund. Situationen blir mer komplicerad när antalet qubits, och följaktligen, förmågan att interagera med miljön ökar. Det är därför, även om idén om kvantdatorer först föreslogs av Richard Feynman redan 1982, och teorin utvecklades i början av 1990-talet, enheter som kan utföra verklig beräkning har först nu skapats.
Kvantfel
Det finns en andra huvudsakliga anledning till att bygga en kvantdator är så svårt. Liksom alla andra processer i världen gör det ljud. Slumpmässiga fluktuationer som uppstår till exempel på grund av temperaturen på qubitsna eller på grund av särdragen hos grundläggande kvantmekaniska processer, kan ändra riktningen eller tillståndet för qubit, vilket leder till felaktiga beräkningar. Ett sådant hot finns i arbetet med klassiska datorer, men det är ganska lätt att lösa. Du behöver bara skapa två eller flera säkerhetskopior av varje bit så att en oavsiktlig vänd bit inte räknas.
Forskare som arbetar med skapandet av en kvantdator har utvecklat flera sätt att lösa problemet, men alla strategier leder till för många extra beräkningskostnader, eftersom all datakraft används för att korrigera fel och inte på att utföra de givna algoritmerna. "Den nuvarande felfrekvensen begränsar avsevärt hur lång tid en beräkning kan ta," förklarar Andrew Childs, meddirektör för Joint Center for Quantum Information and Computational Sciences vid University of Maryland. "Vi måste förbättra resultaten avsevärt om vi vill skapa något intressant."
Mycket forskning inom grundläggande kvantberäkning fokuserar på felkorrigeringstekniker. En del av problemets komplexitet kommer från en annan av kvantsystemens nyckelegenskaper: superpositioner kan endast upprätthållas så länge du inte mäter värdet på en kvbit. Mätningen förstör superpositionen och leder till ett visst värde: 1 eller 0. Hur kan du se om det fanns ett fel i driften av en qubit om du inte vet i vilket tillstånd det var?
Ett smart schema föreslår att man använder indirekt beräkning genom att kombinera en kvbit med en andra hjälpkvbit. Den sistnämnda är inte involverad i beräkningen, så dess mätning påverkar inte tillståndet för huvudkwbit. Men det är ganska svårt att genomföra det. Denna lösning innebär att många fysiska qubits behövs för att skapa en verklig "logisk qubit" som är immun mot fel.
Hur många? Kvantteoretiker Alan Aspuru-Guzik från Harvard University tror att det kommer att ta ungefär tio tusen fysiska qubits för att skapa en logisk qubit, vilket för närvarande inte är möjligt. Enligt honom, om allt går bra, kommer detta antal att minska till flera tusen eller till och med hundratals. Aisert är inte så pessimistisk och anser att cirka åttahundra fysiska qubits kommer att räcka, men medger att även i denna situation kommer "de extra kostnaderna för datorkraft fortfarande att vara stora." Du måste hitta ett sätt att hantera misstag.
Det finns ett alternativ till felsökning. De kan undvikas eller förhindras från att uppstå i det som kallas felbegränsning. Forskare vid IBM designar kretsar för att matematiskt beräkna sannolikheten för ett fel och sedan ta resultatet som nollbrus.
Vissa forskare tror att problemet med felkorrigering förblir olöst och förhindrar kvantdatorer att nå sina förutsagda höjder. "Att skapa kvantfelkorrigerande koder är mycket svårare än att visa kvantöverlägsenhet", förklarar hebreiska universitetet i Israel matematiker Gil Kalai. Han tillägger också att "enheter som inte korrigerar fel är mycket primitiva i sina beräkningar och överlägsenhet kan inte baseras på primitivitet." Med andra ord kommer kvantdatorer inte att överträffa klassiska datorer om fel inte elimineras.
Andra forskare tror att problemet så småningom kommer att lösas. En av dem är Jay Gambetta, en kvantdatavetare vid IBM Center for Quantum Computing. Thomas J. Watson. "Våra senaste experiment har visat de grundläggande elementen i felkorrigering i små enheter, som i sin tur banar vägen för större enheter som pålitligt kan lagra kvantinformation under längre perioder i närvaro av brus," säger han. Gambetta medger emellertid också att, även med det aktuella läget, "finns det fortfarande en lång väg att skapa en universell, felresistent kvantdator med logiska qubits." Tack vare sådan forskning är Childs optimistisk.”Jag är säker på att vi får se en demonstration av ännu mer framgångsrika experiment [bug fixing], men,det kommer troligtvis att ta lång tid innan vi börjar använda kvantdatorer för verklig databehandling.”
Att leva med misstag
Inom en nära framtid kommer kvantdatorer att fungera. Frågan uppstår: hur man kan leva med det? IBM-forskare säger att inom överskådlig framtid kommer fältet "ungefärlig kvantberäkning" -forskning att fokusera på att hitta sätt att anpassa sig till buller.
Detta kräver skapandet av sådana algoritmer som ger rätt resultat och ignorerar fel. Processen kan jämföras med räkningen av valresultat, som inte tar hänsyn till bortskämda omröstningar. "Även om det gör några misstag bör en tillräckligt stor kvantberäkning av hög kvalitet vara mer effektiv än [klassisk]," säger Gambetta.
En av de nyare feltoleranta tillämpningarna av tekniken verkar vara av större värde för forskare än för världen i stort: modelleringsmaterial på atomnivå. (I själva verket var det denna motivation som ledde Feynman att komma med tanken på kvantdatorer.) Kvantmekanikens ekvationer beskriver hur stabilitet eller kemisk reaktivitet beräknas (till exempel i läkemedelsmolekyler). Men dessa ekvationer kan inte lösas utan att använda många förenklingar.
Enligt Childs är emellertid kvantbeteenden hos elektroner och atomer "relativt relativt en kvantdators naturliga beteende." Detta innebär att en exakt datormodell av molekylen skulle kunna byggas. "Många medlemmar i det vetenskapliga samfundet, inklusive mig själv, tror att den första framgångsrika tillämpningen av en kvantdator kommer att förknippas med kvantkemi och materialvetenskap," säger Aspuru-Guzik: han var en av de första som började driva kvantberäkning i denna riktning.
Kvantmodellering visar sig vara användbart även på de minsta kvantdatorer som finns tillgängliga för oss idag. Ett team av forskare, som inkluderar Aspuru-Guzik, utvecklade en algoritm som de kallade "Variational Method for Solving Problems in Quantum Mechanics" (nedan kallat VMR). Denna algoritm gör det möjligt för dig att hitta det minst energikrävande tillståndet i en molekyl, även i bullriga qubits. För närvarande kan den bara hantera mycket små molekyler med få elektroner. Klassiska datorer klarar den här uppgiften bra. Men kvantkraften växer ständigt, som Gambetta och kollegor visade i september förra året när de använde en sexkbit-anordning för att beräkna den elektroniska strukturen hos molekyler som litiumhydrid och berylliumhydrid. Arbetet var "ett betydande genombrott för kvantvetenskapen"som kemisk fysiker Markus Reicher från Swiss Higher Technical School of Zurich uttryckte det. "Att använda BMP för att modellera små molekyler är ett bra exempel på hur kortsiktiga heuristiska algoritmer kan tillämpas," säger Gambetta.
Men enligt Aspuru-Guzik krävs logiska qubits som kan korrigera fel även innan kvantdatorer går över klassiska. "Jag kan inte vänta tills felkorrigering av kvantberäkning blir en verklighet," kommenterade han.
"Om vi hade mer än tvåhundra qubits, kunde vi göra riktigt innovativa saker," tillade Reicher. "Och med 5 000 bitar kan en kvantdator ha en stor inverkan på vetenskapen."
Vad är din volym?
Dessa mål är oerhört svåra att uppnå. Trots alla svårigheter, kvantdatorer från fem-bit till 50-bit på bara ett år - detta faktum ger hopp. Dock får du inte hänga på dessa nummer, eftersom de bara berättar en liten del av historien. Nu är det inte hur många qubits du har viktigare, men hur bra de fungerar och hur effektiva algoritmerna du har utvecklat är.
Varje kvantberäkning slutar med decoherence, vilket blandar upp bitarna. Typiskt är decoherence-tiden för en grupp qubits flera mikrosekunder. Antalet logiska operationer som kan utföras på så kort tid beror på kvantportens växlingshastighet. Om hastigheten är för låg spelar det ingen roll hur många qubits du har till ditt förfogande. Antalet operationer som krävs för en given beräkning kallas beräkningsdjup: algoritmer med låg djup är mer effektiva än djupa algoritmer. Det är emellertid inte känt med säkerhet om de är användbara vid beräkningar.
Dessutom är inte alla qubits lika bullriga. Det är teoretiskt möjligt att skapa lågbruskvittor från material som är i så kallade "topologiska elektroniska tillstånd": om partiklar i detta tillstånd används för att koda binär information kommer det att skyddas från slumpmässigt brus. I ett försök att hitta partiklar i ett topologiskt tillstånd studerar forskare vid Microsoft främst exotiska kvantmaterial. Det finns dock ingen garanti för att deras forskning kommer att bli framgångsrik.
För att beteckna kraften i kvantberäkning på en viss enhet myntade forskare på IBM uttrycket "kvantvolym." Detta är ett tal som förenar alla viktiga faktorer: djupet i algoritmen, antalet och anslutningen på qubits, liksom andra indikatorer för kvaliteten på kvantgrindarna (till exempel brus). I allmänhet karakteriserar denna "kvantvolym" kraften i kvantberäkning. Enligt Gambetta är det nu nödvändigt att utveckla kvantberäkningsutrustning som kommer att öka den tillgängliga kvantvolymen.
Detta är en av orsakerna till att den överraskade kvantöverlägsenheten är en ganska vag idé. Tanken på att en 50-bitars kvantdator kommer att överträffa moderna superdatorer låter attraktiv, men många olösta frågor kvarstår. När du löser exakt vilka problem överträffar en kvantdator superdatorer? Hur kan man bestämma om en kvantdator har fått rätt svar om den inte kan verifieras med en klassisk enhet? Vad händer om en klassisk dator är mer effektiv än en kvantdator om en bättre algoritm hittas?
Således är kvantöverlägsenhet ett begrepp som kräver försiktighet. Vissa forskare föredrar att prata om "kvantfördelen", om ett språng i utvecklingen av kvantteknologier, snarare än om den slutliga segern för kvantdatorer än vanliga. Dessutom försöker majoriteten att inte använda ordet "överlägsenhet" eftersom det innehåller negativa politiska och rasistiska konnotationer.
Oavsett namn, om forskare kan visa att kvantdatorer kan utföra uppgifter som klassiska enheter inte kan utföra, kommer detta att vara ett oerhört viktigt psykologiskt ögonblick för detta område.”Demonstrationen av en obestridlig kvantfördel kommer att gå ner i historien. Detta kommer att bevisa att kvantdatorer verkligen kan utöka vår tekniska kapacitet, säger Aizert.
Kanske kommer detta att vara en symbolisk händelse snarare än en radikal förändring inom datorområdet. Ändå är det värt att uppmärksamma. Om kvantdatorer överträffar konventionella datorer kommer det inte att vara för att IBM och Google plötsligt lanserar dem på marknaden. För att uppnå kvantöverlägsenhet måste du skapa ett intrikat system för interaktion mellan utvecklare och användare. Och det sistnämnda måste vara övertygad om att nyheten är värt att prova. I strävan efter detta samarbete försöker IBM och Google ge användarna sin utveckling så snabbt som möjligt. Tidigare erbjöd IBM alla anmälningar till sajten åtkomst till sin 16-bitars IBM Q-dator. Nu har företaget utvecklat en 20-kbitversion för företagskunder, inklusive JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung och Oxford University. Ett sådant samarbete hjälper inte bara kunder att hitta något användbart och intressant, utan skapar också en kvantkunnig gemenskap av programmerare som kommer att utveckla nya funktioner och lösa problem som inte kan lösas inom ett företag.
"För att kvantberäkningsområdet ska utvecklas aktivt måste du ge människor möjlighet att använda och studera kvantdatorer", säger Gambetta. "Hela vetenskapliga och industriella världen måste nu fokusera på en uppgift - att förbereda sig för kvantdatorernas era."
Projektöversättning Ny
Philip Ball
