211service.com
De sleutel tot krachtigere kwantumcomputers zou kunnen zijn om ze als Lego te bouwen
Aluminium modules van Quantum Circuits. Met dank aan Quantum Circuits
Bezoek een startup of universiteitslab waar kwantumcomputers worden gebouwd, en het is alsof je een time-warp betreedt naar de jaren zestig - de hoogtijdagen van mainframe computing, toen kleine legers van technici machines bedienden die hele kamers konden vullen.
Allerlei apparatuur, van supernauwkeurige lasers tot onderkoelde koelkasten, is nodig om de exotische krachten van de kwantummechanica te benutten voor het verwerken van gegevens. Kabels die verschillende stukjes uitrusting met elkaar verbinden, vormen veelkleurige spaghetti die over vloeren loopt en over plafonds loopt. Natuurkundigen en ingenieurs zwermen rond banken van schermen, constant de prestaties van de computers bewakend en bijsturend.
Mainframes luidden de informatierevolutie in en de hoop is dat kwantumcomputers ook game-changers zullen blijken te zijn. Hun immense verwerkingskracht belooft die van zelfs de meest capabele conventionele supercomputers te overtreffen, en mogelijk vooruitgang te boeken in alles, van het ontdekken van medicijnen tot materiaalwetenschap en kunstmatige intelligentie.
De grote uitdaging voor de opkomende industrie is om machines te maken die zowel betrouwbaar als relatief goedkoop kunnen worden opgeschaald. Het genereren en beheren van de kwantumbits, of qubits, die informatie in de computers vervoeren, is moeilijk. Zelfs de kleinste trillingen of veranderingen in temperatuur - fenomenen die in kwantumjargon bekend staan als ruis - kunnen ervoor zorgen dat qubits hun fragiele kwantumtoestand verliezen. En als dat gebeurt, sluipen er fouten in de berekeningen.
De meest voorkomende reactie was om kwantumcomputers te maken met zoveel mogelijk qubits op een enkele chip. Als sommige qubits niet werken, kunnen andere qubits die kopieën van de informatie hebben, worden gebruikt als back-up door algoritmen die zijn ontwikkeld om fouten te detecteren en te minimaliseren. De strategie, die werd verdedigd door grote bedrijven zoals IBM en Google, maar ook door spraakmakende startups zoals Rigetti Computing, heeft complexe machines voortgebracht die doen denken aan die kamergrote mainframes.
Het probleem is dat de foutenpercentages extreem zijn. De grootste chips van vandaag hebben minder dan honderd qubits, maar er kunnen duizenden of zelfs tienduizenden nodig zijn om hetzelfde resultaat te produceren als een enkele foutloze qubit. Elke qubit heeft zijn eigen besturingsbedrading nodig, dus hoe meer er worden toegevoegd, hoe complexer het beheer van een systeem wordt. Er zal ook meer apparatuur nodig zijn om de snel groeiende qubit-tellingen te monitoren en te beheren. Dat zou de complexiteit en kosten van de computers enorm kunnen opdrijven, waardoor hun aantrekkingskracht wordt beperkt.
Robert Schoelkopf, een professor aan Yale, denkt dat er een betere weg vooruit is. In plaats van te proberen steeds meer qubits op een enkele chip te proppen, ontwikkelt Quantum Circuits, een startup die hij in 2017 mede oprichtte, wat neerkomt op mini-kwantummachines. Deze kunnen via gespecialiseerde interfaces met elkaar worden verbonden, een beetje zoals zeer hightech Legoblokjes. Schoelkopf zegt dat deze aanpak helpt bij het produceren van lagere foutenpercentages, zodat er minder qubits - en dus minder ondersteunende hardware - nodig zijn om krachtige kwantummachines te maken.
Robert Schoelkopf in het lab op het kantoor van Quantum Circuits in New Haven. Julie Bidwell
Sceptici wijzen erop dat Quantum Circuits, in tegenstelling tot rivalen zoals IBM, nog geen werkende computer publiekelijk heeft onthuld. Maar als het er een kan leveren die voldoet aan de beweringen van Schoelkopf, kan het helpen om quantum computing veel sneller uit laboratoria en in de commerciële wereld te brengen.
De drive om duurzamere qubits te maken
Het idee om kleinere kwantumbouwstenen aan elkaar te schroeven om grotere computers te maken, bestaat al jaren, maar het is nooit echt aangeslagen. Er is nog geen geweldige, fouttolerante machine gebouwd met behulp van de modulaire aanpak, legt Jerry Chow uit, die het experimentele kwantumcomputerteam bij IBM Research leidt. Maar toch, voegt Chow eraan toe, als iemand het voor elkaar kan krijgen, zijn het Schoelkopf en zijn collega's.
Na een opleiding als ingenieur en natuurkundige, waaronder stints bij NASA en Caltech, trad Schoelkopf in 1998 toe tot de faculteit van Yale en begon te werken aan kwantumcomputers. Hij en zijn collega's waren pioniers in het gebruik van supergeleidende circuits op een chip om qubits te maken. Door elektrische stroom door gespecialiseerde microchips te pompen die in koelkasten worden bewaard die kouder zijn dan in de verre ruimte, kunnen ze deeltjes naar de kwantumtoestanden lokken die de sleutel zijn tot de immense kracht van de computers.
In tegenstelling tot bits in gewone computers, die stromen van elektrische of optische pulsen zijn die ofwel a een of een 0 , qubits zijn subatomaire deeltjes zoals fotonen of elektronen die zich in een soort combinatie van beide kunnen bevinden een en 0 -een fenomeen dat bekend staat als superpositie. Qubits kunnen ook met elkaar verstrikt raken, wat betekent dat een verandering in de staat van de een de staat van de ander onmiddellijk kan veranderen, zelfs als er geen fysieke verbinding tussen is.
Een vacuümsysteem dat wordt gebruikt om supergeleidende circuits te creëren. Julie Bidwell
Er is meer achtergrondinformatie hierover in onze uitleg over kwantumcomputers. Het belangrijkste om te weten is echter dat hierdoor qubits kunnen handelen alsof ze veel berekeningen tegelijk uitvoeren die een gewone computer achter elkaar zou moeten uitvoeren. Wat betekent dat het toevoegen van extra qubits aan een kwantummachine de verwerkingscapaciteit exponentieel verhoogt.
Schoelkopf heeft ook lof gekregen voor zijn werk aan het probleem van lawaai. De coherentietijden van qubits - dat wil zeggen, hoe lang ze berekeningen kunnen uitvoeren voordat ruis hun delicate kwantumtoestand verstoort - zijn ongeveer elke drie jaar met een factor 10 verbeterd. (Onderzoekers hebben deze trend de wet van Schoelkopf genoemd in een knipoog naar de klassieke wet van Moore, die stelt dat het aantal transistors op een siliciumchip ongeveer elke twee jaar verdubbelt.) Brendan Dickinson van Canaan Partners, een van de investeerders van Quantum Circuits, zegt Schoelkopf's indrukwekkende staat van dienst in supergeleidende qubits is een van de belangrijkste redenen waarom het besloot om het bedrijf te steunen, dat tot nu toe $ 18 miljoen heeft opgehaald.
Ironisch genoeg zijn sommige van de studenten, begeleid door Schoelkopf en zijn medeoprichters van Yale, Michel Devoret en Luigi Frunzio, nu bij bedrijven als IBM en Rigetti die concurreren met hun startup. Schoelkopf is duidelijk trots op de kwantumdiaspora die uit het Yale-lab is voortgekomen. Hij vertelde me dat hij een paar jaar geleden naar alle organisaties over de hele wereld had gekeken die aan supergeleidende qubits werkten en ontdekte dat meer dan de helft van hen werd gerund door mensen die daar tijd hadden doorgebracht. Maar hij gelooft ook dat er een soort groepsdenken is ontstaan.
De voordelen van modulaire machines
De meeste onderzoekers die aan supergeleidende machines werken, richten zich op het maken van zoveel mogelijk qubits op een enkele chip. De aanpak van Quantum Circuits is heel anders dan die standaard. De kern van het systeem is een kleine aluminium module met supergeleidende circuits die zijn gemaakt op silicium- of saffierchips. Elke module bevat wat neerkomt op vijf tot tien qubits.
Om deze modules aan elkaar te koppelen tot grotere computers, gebruikt het bedrijf wat klinkt als iets uit de Star Trek —kwantumteleportatie. Het is een methode die is ontwikkeld voor het verzenden van gegevens over zaken als telecomnetwerken. Het basisidee is om een microgolffoton in de ene module te verstrengelen met een foton in een andere module en vervolgens de link ertussen te gebruiken als een brug voor gegevensoverdracht. (We hebben ook een uitleg over kwantumteleportatie.) Quantum Circuits heeft deze benadering gebruikt om een kwantumversie van een logische poort tussen zijn modules te teleporteren.
Schoelkopf zegt dat er verschillende redenen zijn waarom netwerkmodules samen beter zijn dan zoveel mogelijk qubits op een enkele chip proppen. De kleinere schaal van elke eenheid maakt het gemakkelijker om het systeem te besturen en foutcorrectietechnieken toe te passen. Bovendien, als sommige qubits in een individuele module in de war raken, kan de eenheid worden verwijderd of geïsoleerd zonder dat dit gevolgen heeft voor anderen die ermee verbonden zijn; als ze allemaal op een enkele chip staan, moet het hele ding misschien worden gesloopt.
Een wafer die werd gebruikt om qubits te maken in de computers van Quantum Circuits. Julie Bidwell
Vooruitkijkend zullen de modulaire machines van Quantum Circuits nog steeds dezelfde uitrusting nodig hebben als rivaliserende machines, waaronder de onderkoelde koelkasten en bewakingsapparatuur. Maar omdat ze schalen, zouden ze niet in de buurt moeten komen van dezelfde soort besturingsbedrading en andere parafernalia die nodig zijn om individuele qubits onder de knie te krijgen. Dus hoewel rivaliserende apparaten er steeds meer uit zouden kunnen zien als die enorme vroege mainframes, zouden de machines van de startup verwant moeten blijven aan de afgeslankte apparaten die verschenen toen conventionele computing in de jaren zeventig en daarna voortschreed.
Terwijl ik luisterde naar Schoelkopf die door de technologie praatte, kroop er een beeld in mijn hoofd: mijn kinderen speelden met plastic Legoblokjes toen ze jong waren, ze aan elkaar vastgeschroefd om kastelen en forten te bouwen.
Toen ik de vergelijking voorstelde, was Schoelkopf aanvankelijk een beetje huiverig, maar werd toen behoorlijk enthousiast. Over het algemeen is elk complex apparaat dat ik ken, zei hij, gebaseerd op het hebben van het equivalent van Lego-blokken, en je definieert de interfaces en hoe ze in elkaar passen ... [Lego-stenen] zijn echt goedkoop. Ze kunnen in massa worden geproduceerd. En ze sluiten altijd op de juiste manier aan.
De kwantummodules van Schoelkopf hebben nog een ander belangrijk voordeel. Elk bevat een driedimensionale holte die een aantal microgolffotonen opvangt. Deze vormen wat bekend staat als qudits, en ze zijn als qubits, behalve dat ze meer informatie opslaan. Terwijl een qubit staat voor een combinatie van een en 0 , kan een qudit in meer dan twee staten voorkomen, bijvoorbeeld: 0 , een , en twee tegelijkertijd. Quantumcomputers met qudits kunnen nog meer informatie tegelijkertijd doornemen.
Wetenschappers hebben geëxperimenteerd met qudits al een tijdje, maar ze zijn lastig te genereren en te controleren. Schoelkopf zegt dat Quantum Circuits manieren heeft gevonden om consistent hoogwaardige circuits te creëren en fouten aanzienlijk te verminderen. (Het bedrijf beweert dat het coherentietijden heeft bereikt met behulp van zijn holtes die tien tot 100 keer langer zijn dan voor supergeleidende qubits, wat het gemakkelijker maakt om fouten te corrigeren.) Sommige qubits zijn nog steeds nodig om bewerkingen op de qudits uit te voeren en om er informatie uit te halen , maar zijn aanpak vereist minder van deze qubits. Dat betekent op zijn beurt dat er in het algemeen minder hardware nodig is.
Quantum computing is een wijd open veld
Interieur van een Quantum Circuits verdunningskoelkast. Met dank aan Quantum Circuits
De aanpak van Quantum Circuits klinkt overtuigend, maar Schoelkopf weigert precies te zeggen wanneer het bedrijf een volledig functionerende computer zal onthullen. Ook wil hij niet onthullen hoeveel qubits en qudits zijn team in totaal heeft weten samen te werken.
Hoe langer het duurt, hoe groter het risico dat zijn startup wordt overschaduwd door zijn rivalen. IBM en Rigetti geven bedrijven en onderzoekers al toegang tot hun kwantumcomputers via de computercloud, en het gerucht gaat dat Google dicht bij de eerste zal zijn die kwantumsuprematie bereikt - of het punt waarop een kwantumcomputer een taak kan uitvoeren die buiten bereik ligt van zelfs de krachtigste conventionele supercomputer.
Schoelkopf zegt dat organisaties die algoritmen willen uitproberen op het Quantum Circuits-systeem dit zeer binnenkort zullen kunnen doen, en dat het op een gegeven moment machines met de cloud zal verbinden, zoals IBM en Rigetti hebben gedaan. De startup bouwt niet alleen computers; het werkt ook aan software waarmee gebruikers het meeste uit de onderliggende hardware kunnen halen.
Bovendien zijn het vroege dagen. De kwantumalgoritmen die tegenwoordig op cloudservices zoals die van IBM worden uitgevoerd, zijn nog steeds vrij eenvoudig, merkt Schoelkopf op. Het veld ligt wijd open voor kwantumcomputers en bijbehorende software die echt een verschil kunnen maken op een breed scala van gebieden, van het turboladen van kunstmatige-intelligentietoepassingen tot het modelleren van moleculen voor chemici.
Er blijven veel vragen over. Zal Quantum Circuits in staat zijn om robuuste qubits en qudits te blijven produceren terwijl het veel grotere machines bouwt? Kan het zijn kwantumteleportatiemethode betrouwbaar laten werken omdat het meer modules met elkaar verbindt? En zullen zijn systemen, wanneer ze voor de verkoop worden uitgerold, kosteneffectiever zijn om te bedienen dan die van rivalen? Er liggen nog aanzienlijke uitdagingen op het gebied van natuurkunde en techniek. Maar als Schoelkopf en zijn collega's ze kunnen overwinnen, kunnen ze bewijzen dat klein denken de sleutel is om heel groot te worden in kwantumcomputing.