Een kwantumboost voor een ander soort computer

S. Debnath

Kwantumcomputers die in staat zijn tot verbijsterende berekeningen komen eindelijk aan de horizon. Maar hoe zien de eerste bruikbare machines eruit?

Zware hitters uit de industrie, waaronder: IBM , Google , microsoft , en Intel , evenals een paar startups zoals Afwijzingen berekenen en Quantum Circuits Incorporated , maken allemaal gestage vorderingen in de richting van meer capabele kwantumcomputers door gebruik te maken van supergeleidende circuits die worden gekoeld tot extreme temperaturen.

Ondertussen hebben twee onderzoeksteams aangetoond dat een benadering die grotendeels wordt genegeerd door de industrie - het gebruik van ingesloten atomen om berekeningen uit te voeren - kan worden opgeschaald naar een nieuw niveau van complexiteit en kan worden gebruikt om waardevol werk uit te voeren. De resulterende systemen zijn geen universele kwantumcomputers die in staat zijn om berekeningen uit te voeren, maar ze suggereren dat een atomaire benadering meer potentieel heeft dan verondersteld. Het werk suggereert ook dat atomen uiteindelijk een betere manier kunnen zijn om laboratoriumsystemen om te zetten in grootschalige praktische kwantumcomputers.

De supergeleidende benadering is succesvol gebleken, deels omdat de technische technieken die worden gebruikt om siliciumcircuits te fabriceren de afgelopen decennia zijn aangescherpt (zie 10 Breakthrough Technologies 2017: Practical Quantum Computers). Maar het is mogelijk om een ​​kwantumcomputer te bouwen met behulp van een breed scala aan benaderingen.

Verwant verhaal

Verwant verhaal

In twee papieren vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , een team van MIT en Harvard in Cambridge, Massachusetts, en een ander van de Universiteit van Maryland en het National Institute of Standards in Washington DC, onthullen dat ze gespecialiseerde typen kwantumcalculators hebben gebouwd, die elk meer dan 50 qubits gebruiken - nou ja verder dan wat eerder was aangetoond. In beide gevallen hebben de onderzoekers kwantumsimulators gemaakt, machines die analoge berekeningen kunnen gebruiken om te modelleren hoe kwantumdeeltjes op elkaar inwerken.

De twee systemen gebruiken beide atomen, maar werken op verschillende manieren. Het MIT-Harvard-systeem verwerkt 51 qubits door lasers te gebruiken om neutrale atomen in een aangeslagen toestand te vangen. De Maryland-NIST-machine, die 53 qubits verwerkt, vangt ytterbium-ionen op hun plaats met behulp van goudgecoate elektroden. Samen suggereren ze dat een alternatieve benadering voor het bouwen van kwantummachines het potentieel zou kunnen hebben om de door de industrie nagestreefde aanpak uit te dagen.

Hoewel ons systeem nog geen universele kwantumcomputer is, kunnen we het effectief programmeren door de interacties tussen de qubits te controleren, zegt Mikhail Lukin , een natuurkundige aan Harvard die een van de systemen heeft ontwikkeld in samenwerking met Vladan Vuletic bij MIT.

Will Zeng, een onderzoeker bij Rigetti Computing, een bedrijf dat tientallen miljoenen aan durfkapitaal heeft ontvangen om kwantumcomputing na te streven, zegt dat kwantumsimulatie op deze schaal een belangrijke stap is. In feite was het simuleren van kwantumeffecten het oorspronkelijke doel van een kwantumcomputer voorgesteld door natuurkundige Richard Feynman meer dan 40 jaar geleden. Nu zijn wetenschappers in staat om een ​​deel van het potentieel aan te tonen dat inherent is aan kwantumcomputers, dus de resultaten zijn opwindend, zegt hij.

Quantumcomputers werken op een fundamenteel andere manier dan conventionele computers. Terwijl een normale computer binaire stukjes informatie opneemt, gecodeerd als ofwel: een of 0 , en de een na de ander berekeningen uitvoert, maakt een kwantumcomputer gebruik van twee contra-intuïtieve kenmerken van het kwantummechanisme - verstrengeling en superpositie - om parallel berekeningen uit te voeren. Daardoor kan hij in veel minder tijd met grote hoeveelheden informatie rekenen. Enkele tientallen kwantumbits kunnen in één stap berekeningen uitvoeren op miljarden stukjes informatie.

De technologie bleef jarenlang een luchtkasteel onder natuurkundigen, maar heeft ongetwijfeld een enorm potentieel. Nu groeit de opwinding over het eindelijk bouwen van machines die nuttig werk kunnen doen.

De benchmark van 50 qubit is belangrijk, want rond dat punt kunnen kwantummachines berekeningen uitvoeren die zelfs op de meest enorme supercomputer die er is, moeilijk, zo niet onmogelijk, zou kunnen worden uitgevoerd. Sommige wetenschappers noemen dit quantum suprematie (zie Google onthult een blauwdruk voor Quantum Supremacy en IBM legt de lat hoger met een 50-Qubit Quantum Computer). Zowel IBM als Google ontwikkelen supergeleidende kwantumcomputers voor algemene doeleinden die ongeveer hetzelfde aantal qubits kunnen gebruiken.

Misschien nog belangrijker, de qubits in de nieuwe atomaire systemen zijn mogelijk beter geschikt om op te schalen, zegt Chris Monroe , een professor aan de Universiteit van Maryland en de hoofdauteur van een van de artikelen. De qubits in solid-state systemen zijn niet identiek, wat betekent dat een systeem zorgvuldig moet worden gekalibreerd, en dit kan lastig zijn naarmate de machine groter wordt. Daarentegen zijn qubits gemaakt met atomen, hoewel moeilijker te controleren, identiek en behoeven geen afstemming. Atomen zijn in zekere zin de perfecte qubit, zegt Monroe. Hij voegt eraan toe dat atomaire systemen mogelijk gemakkelijker te herconfigureren zijn, waardoor ze geschikter zijn om een ​​breder scala aan problemen aan te pakken.

Dat wil niet zeggen dat het voor iedereen gemakkelijk zal zijn om grotere, meer praktische kwantumsystemen te bouwen. We denken dat we op een eenvoudige manier naar zo'n duizend kwantumbits kunnen gaan, maar verder is de situatie minder duidelijk, zegt Vuletic.

Net zo belangrijk, we krijgen alleen hints over hoe nuttig kwantumcomputers echt zullen zijn. In een baanbrekende studie die in september werd gepubliceerd, gebruikte een team van IBM een kwantumcomputer, IBM Q genaamd, om de structuur van berylliumhydride te simuleren, het meest complexe molecuul dat ooit op deze manier is geanalyseerd.

We zullen waarschijnlijk niet weten waartoe deze machines in staat zijn totdat veel meer ingenieurs en programmeurs ze in handen krijgen. We beginnen voorbij het tijdperk van de natuurkunde te gaan naar kwantumtechnologie, zegt UMD's Monroe.

zich verstoppen