D-Wave rijden

Computers verwerken informatie door deze op te splitsen in de kleinst mogelijke brokken, bits genoemd. Een bit vertegenwoordigt het onderscheid tussen twee mogelijkheden: waar en niet waar, ja en nee, of, zoals ze conventioneel worden weergegeven, 1 en 0.

Coole computer: Een apparaat dat bekend staat als een verdunningskoelkast (hierboven afgebeeld) wordt gebruikt om de kwantumcomputer van D Wave te initialiseren en deze naar zijn grondtoestand te brengen door hem af te koelen tot bijna het absolute nulpunt.

Het eindpunt van de wet van Moore (die stelt dat computers elk anderhalf jaar een factor twee sneller worden) is een computer die zo krachtig is dat hij individuele atomen gebruikt om stukjes informatie op te slaan: één atoom, één bit. Als we op subatomaire schaal zouden kunnen werken en bits op elektronen of quarks zouden kunnen opslaan, zouden we misschien verder gaan. Maar laten we vasthouden aan wat we weten we kunnen doen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2008

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Als de huidige snelheden van miniaturisatie aanhouden, zal je pc ergens rond 2050 één bit op één atoom opslaan. Maar het is natuurlijk om te vragen of we in feite een bit-naar-atoom-correspondentie kunnen bereiken. Opmerkelijk is dat er in het laboratorium al prototype computers bestaan ​​die bits op individuele atomen opslaan. Deze computers worden kwantumcomputers genoemd, omdat ze informatie opslaan en verwerken op schalen waar de wetten van de kwantummechanica gelden.

Kwantummechanica is de tak van de natuurkunde die bepaalt wat er op zeer kleine schaal gebeurt. De principes zijn beroemd raar, dus het is normaal dat kwantumcomputers ook vreemd zijn. Een conventionele elektronische computer, waarin elke bit een 0 of 1 registreert, is verslaafd aan binaire logica; maar een kwantumbit, of qubit, kan tegelijkertijd 0 en 1 registreren, een fenomeen dat bekend staat als superpositie. Wat betekent het voor een kwantumbit om tegelijkertijd 0 en 1 te registreren? Het juiste antwoord is dat niemand het zeker weet. De contra-intuïtieve aard van de kwantummechanica verhindert dat onze geest begrijpt hoe kwantumbits zich gedragen. Desalniettemin, omdat de wetten van de kwantummechanica nauwkeurig zijn geformuleerd, kunnen we voorspellen wat kwantumcomputers zullen doen.

En wat ze doen is opmerkelijk. Aangezien één qubit tegelijkertijd twee verschillende waarden kan vertegenwoordigen, kunnen twee qubits tegelijkertijd vier vertegenwoordigen (00, 01, 10 en 11, in binaire notatie); vier qubits kunnen 16 waarden vertegenwoordigen; acht qubits 256 waarden; enzovoorts. Zelfs een relatief kleine kwantumcomputer, een die enkele tienduizenden qubits had, kon zoveel verschillende waarden tegelijk in overweging nemen dat hij in staat zou zijn om alle bekende codes te breken die gewoonlijk worden gebruikt voor veilige internetcommunicatie. Quantumcomputers kunnen ook worden gebruikt voor snellere zoekopdrachten in databases, of om moeilijke problemen aan te pakken die klassieke computers niet altijd konden oplossen in het universum. Mijn collega's aan het MIT en ik bouwen sinds 1996 eenvoudige kwantumcomputers en voeren kwantumalgoritmen uit, net als andere wetenschappers over de hele wereld. Quantumcomputers werken zoals beloofd. Als ze kunnen worden opgeschaald tot duizenden of tienduizenden qubits vanaf hun huidige grootte van ongeveer een dozijn, kijk dan uit!

Gezien hun vermogen om geheime communicatie te onderscheppen en te verstoren, is het niet verwonderlijk dat kwantumcomputers de aandacht hebben van verschillende Amerikaanse overheidsinstanties. De National Security Agency, die onderzoek op het gebied van kwantumcomputers ondersteunt, verklaart openhartig dat het, gezien haar belang om de communicatie van de Amerikaanse overheid veilig te houden, het afschuwelijk vindt om kwantumcomputers gebouwd te zien worden. Aan de andere kant, als ze kunnen worden gebouwd, wil het de eerste hebben.

Quantumberekening heeft ook commerciële belangstelling gewekt. Met het huidige tempo van vooruitgang zijn grote, codebrekende kwantumcomputers minstens een decennium verwijderd, dus de particuliere sector concentreert zich op twee soorten kwantumberekeningen die gemakkelijker zijn. Het eerste niet-triviale type kwantumcomputing werd in 1981 voorgesteld door Nobelprijswinnaar Richard Feynman. Feynman bestudeerde hoe kwantumprocessen in de hoge-energiefysica konden worden gesimuleerd. Hij merkte op dat klassieke computers slecht waren in hun werk, om dezelfde reden dat mensen kwantummechanica contra-intuïtief vinden: er is geen gemakkelijke manier om een ​​bit voor te stellen dat tegelijkertijd 0 en 1 registreert. Feynman suggereerde dat als de computer kwantummechanisch zou zijn, het misschien gemakkelijker zou zijn om met kwantumprocessen om te gaan. In 1996 liet ik zien dat Feynman gelijk had en creëerde ik algoritmen waarmee een kwantumcomputer solid-state, chemische en hoogenergetische systemen zou kunnen simuleren. Zo'n simulator zou slechts een honderdtal qubits nodig hebben om alle conventionele supercomputers te kunnen overtreffen.

Een tweede type kwantumcomputing, bekend als adiabatische kwantumcomputing, is niet alleen eenvoudiger dan het breken van code, maar potentieel veel krachtiger. Adiabatische kwantumcomputing is een bijzonder fysieke manier om moeilijke problemen op te lossen.

Zoals alle fysieke systemen, leven elektronen liever in lagere energietoestanden dan in hogere energietoestanden, vooral bij lage temperaturen. De energie van een fysiek systeem zoals een elektron hangt af van de toestanden van zijn buren. Eén elektron zou zijn draaiende buren kunnen vertellen, voor een lagere energie, met de klok mee draaien. Een ander elektron zou kunnen zeggen: Voor een lagere energie, draai tegen de klok in. De laagste energietoestand voor de draaiende elektronen als gemeenschap is degene die het totale aantal conflicten tussen naburige spins minimaliseert. Om een ​​groep elektronen hun gemeenschappelijke laagste energietoestand of grondtoestand te laten vinden, moeten ze manieren vinden om het eens te worden over hoe ze hun spins moeten uitlijnen. Op dezelfde manier dat een complex rekenprobleem kan worden opgesplitst in flipping-bits, kan het worden gesteld in termen van het vinden van de grondtoestand van een geschikt fysiek systeem.

Adiabatische kwantumberekening probeert problemen weer te geven als de verstoring van een kwantumsysteem, zodat het antwoord wordt weergegeven door de aanname van een nieuwe grondtoestand door het systeem. Het is ontwikkeld door Eddie Farhi en Jeffrey Goldstone van het MIT en Sam Gutmann van de Northeastern University. Het werkt door het kwantumsysteem te initialiseren naar een eenvoudige grondtoestand (alle spins draaien bijvoorbeeld met de klok mee) en vervolgens geleidelijk of adiabatisch de interacties aan te zetten die coderen het probleem. Als dit inschakelproces voldoende langzaam is, zal het systeem geleidelijk van zijn eenvoudige begintoestand naar de complexe eindtoestand sijpelen.

Het meest interessante aspect van adiabatische kwantumberekening is dat niemand zeker weet of het in de praktijk werkt. Het kan zijn dat voor elk zinvol probleem, het systeem zo langzaam zou moeten sijpelen dat het de leeftijd van het universum zou kosten om een ​​antwoord terug te geven. Omgekeerd kan het zijn dat zelfs het moeilijkste probleem bezwijkt voor een adiabatische kwantumcomputer. Ondanks de gezamenlijke aandacht van een schare natuurkundigen en wiskundigen, blijft de vraag of adiabatische kwantumcomputers werken open. De meeste experts vermoeden dat het de moeilijkste rekenproblemen niet kan oplossen. Maar verdenking is geen bewijs.

Als de theoretici het niet eens kunnen worden, gaan de experimentatoren door. Omdat het hele punt van adiabatische kwantumberekening is om langzaam in plaats van snel te gaan, zijn adiabatische kwantumcomputers in principe aanzienlijk eenvoudiger te bouwen dan algemene codebrekende kwantumcomputers. Toen ik dit belangrijke punt realiseerde, creëerden mijn afgestudeerde student Bill Kaminsky en ik in 2002 een ontwerp voor een adiabatische kwantumcomputer op basis van supergeleidende technologie. Vorig jaar kondigde D-Wave Systems, een startup voor kwantumcomputers in Burnaby, British Columbia, aan dat het een adiabatische kwantumcomputer had gebouwd op basis van ons ontwerp. Op dat moment werd het interessant.

D-Wave werd iets minder dan tien jaar geleden opgericht met het uitdrukkelijke doel een commerciële kwantumcomputer te bouwen. Na te hebben gespeeld met het idee om een ​​kwantumcomputer te bouwen om grote getallen te factoriseren, kozen de onderzoekers verstandig voor de meer rechttoe rechtaan en nog steeds potentieel winstgevende taken van kwantumsimulatie en adiabatische kwantumcomputers. In februari 2007 demonstreerde het bedrijf in het Computer History Museum in Silicon Valley een 16-qubit-apparaat waarvan het beweerde dat het redelijk complexe optimalisatieproblemen kon oplossen. Het kan zelfs Sudoku-puzzels maken!

D-Wave heeft ongeveer $ 60 miljoen aan financiering opgehaald van durfkapitalisten zoals Draper Fisher Jurvetson. Als privébedrijf is het in de eerste plaats verantwoording verschuldigd aan zijn investeerders en niet aan de wetenschappelijke gemeenschap. Het was dan ook geen verrassing dat D-Wave bij de aankondiging van het succes bij het bouwen van een adiabatische kwantumcomputer zich meer richtte op commerciële toepassingen dan op wetenschappelijke details. Terwijl durfkapitalisten onder de indruk waren van de aankondiging en het bedrijf trakteerden op een nieuwe financieringsronde, waren wetenschappers minder enthousiast. Het persbericht bevatte geen apparaatspecificaties waarmee de wetenschappelijke juistheid van de beweringen kon worden beoordeeld. Het leek mogelijk dat de computer eenvoudigweg oplossingen vond door af te koelen tot zijn grondtoestand, een tamelijk saai en niet zo kwantummechanisch proces, in plaats van de meer subtiele adiabatische procedure uit te voeren die hierboven is beschreven. Toen D-Wave naliet enig concreet bewijs te leveren dat het apparaat daadwerkelijk een kwantumberekening uitvoerde, gingen zelfs de meest liefdadige wetenschappelijke waarnemers er gewoon van uit dat de wetenschappers niet wisten of het wel of niet zo was. (Zie Desulty D‑Wave ) Minder liefdadige waarnemers spraken woorden die ik in deze publicatie niet kan melden. Van mijn kant was ik in de war. Ik zou heel graag willen weten of adiabatische kwantumberekening werkt. Zelfs als deze benadering de moeilijkste problemen niet kan oplossen, als het systeem van D-Wave in enkele eenvoudige gevallen een goed gedefinieerde demonstratie van adiabatische kwantumberekening zou kunnen uitvoeren, zou dat een validatie zijn van Kaminsky's en mijn ontwerp. Zoals de zaken er echter voorstonden, leek D-Wave de kwantumbron te vertroebelen voor geld.

Afgelopen herfst werd het water helderder. D-Wave's hoofdtheoreticus, Mohammad Amin, en zijn belangrijkste experimentator, Andrew Berkley, bezochten de quantumcomputergemeenschap aan het MIT. Ze bespraken de wetenschappelijke kwesties openhartig. Nee, gaven ze toe, ze konden niet bewijzen dat wat ze deden echte adiabatische kwantumberekening was, maar het leek erop dat dit waarschijnlijk zo was. Hoe konden ze de vraag afdoende beantwoorden?

De pioniers van supergeleidende kwantumberekening waren in staat om de kwantumaard van hun apparaten aan te tonen door ze te zappen met snelle microgolfpulsen en te kijken naar hun reacties. Maar die apparaten waren niet adiabatisch; ze werkten met snelheden die vergelijkbaar zijn met die van een conventionele computer. Het D-Wave-apparaat is daarentegen doelbewust traag: er is dus geen zappen mogelijk. Als gevolg hiervan zijn er een beperkt aantal experimenten die kunnen aangeven of het apparaat echt kwantumberekeningen uitvoert. Een daarvan is echter om de traagheid waarmee het apparaat van zijn oorspronkelijke staat naar zijn uiteindelijke staat straalt, te variëren. Halverwege het sijpelende proces komt de computer op een punt waar hij de moeilijke keuzes moet gaan maken die tot de oplossing van het probleem leiden. Hier bevindt de computer zich in een vreemde kwantumtoestand, waarin elke bit 0 en 1 tegelijkertijd registreert. Ik drong er bij de D-Wave-onderzoekers op aan dit kritieke punt te onderzoeken en naar de veelbetekenende tekens te zoeken.

Meer recentelijk sprak ik met Herb Martin, de CEO van D-Wave, en Geordie Rose, de chief technology officer en medeoprichter van het bedrijf, en benadrukte de noodzaak voor hen om deze experimenten voort te zetten als ze echt geïnteresseerd zijn om uit te leggen hoe hun apparaten werken. Een experiment dat ik Rose heb aanbevolen, is een specifiek protocol voor het creëren en verifiëren van de aanwezigheid van een zogenaamde Schrödinger's-cat-status, een specifiek exemplaar van de staat waarin alle qubits zowel 0 als 1 tegelijkertijd registreren. (De naam komt van een gedachte-experiment voorgesteld door een van de grondleggers van de kwantummechanica, Erwin Schrödinger, die zich een kwantumkat voorstelde die tegelijkertijd dood en levend kon zijn.) Zowel Martin als Rose lijken enthousiast: ze weten heel goed dat als ze niet kunnen bewijzen dat hun apparaat echt iets kwantummechanisch doet, hun naam binnen de wetenschappelijke gemeenschap modderig zal blijven.

In november vorig jaar demonstreerde D-Wave wat het beweerde een 28-qubit adiabatische kwantumcomputer te zijn. Nu proberen de wetenschappers van het bedrijf de fundamenteel kwantummechanische aard van hun apparaat aan te tonen. Er is een sterke motivatie om de wetenschap te doen en het goed te doen. Engineering is wetenschap die zo goed ingeburgerd is dat zelfs ingenieurs zoals ik het kunnen. Als je de wetenschap van een 16-qubit-kwantumcomputer niet goed kunt krijgen, dan zijn je kansen om 512-qubit- en 1024-qubit-apparaten te bouwen (de volgende geplande stappen van D-Wave) nihil. Aan de andere kant, als D-Wave kan bevestigen dat zijn huidige systeem de staat binnengaat waarin al zijn qubits tegelijkertijd 0 en 1 zijn, dan heeft het een goede kans om kwantumapparaten te bouwen die complexer zijn.

En een supergeleidende kat van Schrödinger van 16 qubit zou best cool zijn.

Seth Lloyd is hoogleraar werktuigbouwkunde en directeur van het Center for Extreme Quantum Information Theory aan het MIT.

zich verstoppen