211service.com
Chemici zijn de eerste in de rij voor de voordelen van Quantum Computing
Daniel Zender
Deze maand zeiden IBM en Google allebei dat ze de komende jaren kwantumcomputers op de markt willen brengen (Google specificeerde er vijf) en de toegang tot de exotische machines in een nieuw soort cloudservice te verkopen. De concurrenten voorspellen een nieuw tijdperk waarin computers enorm krachtiger zijn, met voordelen zoals efficiëntere routering voor logistiek- en kaartbedrijven, nieuwe vormen van machine learning, betere productaanbevelingen en verbeterde diagnostische tests.
Maar vóór dat alles lijkt de eerste kwantumcomputer die zijn zin begint te betalen met nuttig werk in de echte wereld dit waarschijnlijk te doen door scheikundigen te helpen dingen te doen zoals het verbeteren van batterijen of elektronica. Tot nu toe is het simuleren van moleculen en reacties de use case voor vroege, kleine kwantumcomputers die tot in detail zijn geschetst door onderzoekers die het nieuwe soort algoritmen ontwikkelen dat voor dergelijke machines nodig is.
Kwantumcomputers, die gegevens weergeven met behulp van kwantummechanische effecten die op kleine schaal zichtbaar zijn, zouden berekeningen moeten kunnen uitvoeren die voor geen enkele conventionele computer onmogelijk zijn. Recente ontwikkelingen in hardware die kan worden gebruikt om ze te bouwen, hebben geleid tot een stortvloed aan investeringen van bedrijven zoals Microsoft, Intel, Google en IBM (zie 10 Breakthrough Technologies 2017: Practical Quantum Computers).
Vanuit het oogpunt van wat theoretisch is bewezen, ligt de chemie voorop, zegt Scott Crowder, chief technology officer van de IBM-divisie die tegenwoordig hardware verkoopt, inclusief supercomputers en hoopt in de komende jaren cloud-gehoste kwantumcomputers aan zijn productassortiment toe te voegen. paar jaar. We hebben meer vertrouwen in de kleinere systemen voor de chemie.
Onderzoekers gebruiken al lang simulaties van moleculen en chemische reacties om onderzoek naar zaken als nieuwe materialen, medicijnen of industriële katalysatoren te ondersteunen. De tactiek kan de tijd die wordt besteed aan fysieke experimenten en wetenschappelijke doodlopende wegen verminderen, en het is goed voor een aanzienlijk deel van de werklast van 's werelds supercomputers.
Maar de uitbetalingen zijn beperkt omdat zelfs de krachtigste supercomputers niet alle complexe kwantumgedragingen van atomen en elektronen in zelfs relatief kleine moleculen perfect kunnen nabootsen, zegt Alan Aspuru-Guzik , een scheikundeprofessor aan Harvard. Hij kijkt uit naar de dag dat simulaties op kwantumcomputers de inspanningen van zijn onderzoeksgroep kunnen versnellen om nieuwe lichtgevende moleculen te vinden voor bijvoorbeeld displays en batterijen die geschikt zijn voor energieopslag op rasterschaal.
Op dit moment moeten we constant kalibreren met experimentele gegevens, zegt Aspuru-Guzik, die pionierde met methoden voor het simuleren van moleculen op kwantumcomputers. Een deel daarvan zal verdwijnen als we een kwantumcomputer hebben.
Het simuleren van de kwantumeffecten die moleculaire structuren en reacties vormen, is een natuurlijk probleem voor kwantumcomputers, omdat hun kracht komt van het coderen van gegevens in diezelfde uitdagende kwantumtoestanden. De componenten waaruit kwantumcomputers bestaan, ook wel qubits genoemd, kunnen kwantummechanische processen gebruiken om computationele snelkoppelingen te maken die onmogelijk zijn voor een conventionele machine. (Het Canadese bedrijf D-Wave biedt al een chip met kwantumeigenschappen aan industriële en academische onderzoekers, maar het is niet duidelijk of het apparaat de voordelen biedt die verwacht worden van kwantumcomputers.)
Microsoft gokt op een minder volwassen vorm van kwantumhardware dan IBM en Google (zie Microsoft's Quantum Mechanics), maar het heeft een van de meest geavanceerde inspanningen om praktische kwantumalgoritmen te ontwikkelen. Chemie en materiaalkunde behoren tot de belangrijkste aandachtsgebieden. De onderzoekers van de groep hebben onlangs geprobeerd aan te tonen hoe hybride systemen waarin een conventionele computer en een kleine kwantumcomputer samenwerken, chemie kunnen simuleren.
Het heeft een grote belofte voor het bestuderen van moleculen, zegt Krysta Svore , die leiding geeft aan de groep van Microsoft die werkt aan kwantumalgoritmen. Het zoeken naar nieuwe, praktische supergeleidende materialen is een mogelijke toepassing van het hybride model waarvoor geen erg grote kwantumcomputers nodig zijn, zegt ze. Conventionele computers hebben moeite om het kwantumgedrag van elektronen te repliceren dat aan supergeleiding ten grondslag ligt.
Wanneer - of als - het komt, zou vroeg succes in de chemie een goed voorteken moeten zijn voor de toekomst van kwantumcomputers. Hun potentieel voor het bestuderen van moleculen is slechts één uiting van hun flair voor wat computerwetenschappers optimalisatieproblemen noemen, waarbij ze de best mogelijke oplossing moeten identificeren uit vele alternatieven. Dat kan de meest stabiele configuratie van de elektronen van een atoom betekenen, of de meest efficiënte leveringsroute rond een stad.
Tegenwoordig kunnen scheikundige simulaties het soort praktische optimalisatieprobleem zijn dat onderzoekers het best begrijpen hoe ze moeten poseren voor een kwantumcomputer, zegt Chris Monroe , een professor aan de Universiteit van Maryland en medeoprichter van de quantum computing-startup IonQ. Maar er wordt vooruitgang geboekt bij het begrijpen van andere toepassingen van kwantumgestuurde optimalisatie, zoals machine learning, en er zouden er nog veel meer moeten zijn.
Svore van Microsoft denkt dat machine learning-applicaties relatief snel kunnen komen. Ondertussen is het doorbreken van encryptie, hoewel een echte bedreiging, een van de meest verre toepassingen van de technologie, omdat de betrokken algoritmen een extreem grote kwantumprocessor zouden vereisen.
Monroe vergelijkt het huidige moment in kwantumcomputing met de vroegste dagen van de transistor, die zijn eerste doorbraaksucces had in hoortoestellen voordat hij verder ging met grotere dingen.
Ze hadden niet gedacht dat je 50 miljard op een chip kon krijgen en al die andere dingen zou kunnen doen, zegt hij. We zijn een beetje in de fase van hoortoestellen, waar we een paar zeer specifieke toepassingen begrijpen en moeten blijven verkennen.