Kwantumberekening

Computers zijn geïnfiltreerd in bijna elk gebied van het bedrijfsleven en de wetenschap, en ze worden steeds sneller. Desalniettemin stuiten onderzoekers regelmatig op problemen die zelfs de krachtigste supercomputers niet kunnen oplossen. De remedie zou kunnen zijn kwantumcomputers, die de fantastische eigenschappen van de kwantummechanica zouden gebruiken om dergelijke problemen in seconden in plaats van eeuwen op te lossen. Sinds de jaren tachtig hebben natuurkundigen in academische laboratoria en bij bedrijven als IBM, Hewlett-Packard en NEC verschillende benaderingen voor kwantumcomputers nagestreefd, maar geen ervan lijkt in minder dan 10 jaar een werkende machine te leveren.

Bedrijf: D-Wave-systemen

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2005

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Hoofdkwartier: Vancouver, Brits Colombia

Belegd bedrag: $ 22 miljoen Canadees (ongeveer $ 17,5 miljoen VS)

Hoofdinvesteerder: Draper Fisher Jurvetson

Belangrijkste oprichters: Geordie Rose, Alexandre Zagoskin, Bob Wiens, Haig Farris

Technologie: Quantumcomputers

De startup D-Wave Systems uit Vancouver wil echter binnen drie jaar een kwantumcomputer bouwen. Het zal geen volledig functionele kwantumcomputer zijn van het soort dat lang voor ogen stond; maar D-Wave ligt op schema om een ​​speciaal, luidruchtig stuk kwantumhardware te produceren dat veel van de fysische simulatieproblemen zou kunnen oplossen die de hedendaagse computers overrompelen, zegt David Meyer, een wiskundige die werkt aan kwantumalgoritmen aan de Universiteit van Californië, San Diego.

Het verschil tussen het systeem van D-Wave en andere ontwerpen van kwantumcomputers zijn de specifieke eigenschappen van de kwantummechanica die ze exploiteren. Andere systemen vertrouwen op een eigenschap die verstrengeling wordt genoemd, die zegt dat twee deeltjes die in het verleden interactie hebben gehad, zelfs als ze nu ruimtelijk gescheiden zijn, elkaars toestanden nog steeds kunnen beïnvloeden. Maar die onderlinge afhankelijkheid wordt gemakkelijk verstoord door de interacties van de deeltjes met hun omgeving. Daarentegen maakt het ontwerp van D-Wave gebruik van de veel robuustere eigenschap van de kwantumfysica die bekend staat als kwantumtunneling, waardoor deeltjes op magische wijze van de ene locatie naar de andere kunnen springen.

D-Wave, opgericht in april 1999, is ontstaan ​​als een reeks gesprekken tussen studenten en docenten aan de University of British Columbia. In de loop der jaren heeft het intellectueel eigendom vergaard en zijn focus verengd, terwijl het bijna $ 18 miljoen aan financiering aantrok, aanvankelijk van angel-investeerders en meer recentelijk van de Canadese en Duitse regeringen, en van durfkapitaalbedrijven. Het bedrijf is van plan om tegen eind 2006 een prototype-apparaat te voltooien; een versie die commerciële problemen kan oplossen zou in 2008 klaar kunnen zijn, zegt president en CEO Geordie Rose.

De agressiviteit van het tijdschema van D-Wave wordt mogelijk gemaakt door de eenvoud van het ontwerp van het apparaat: een analoge chip gemaakt van supergeleiders bij lage temperatuur. De chip moet worden gekoeld tot -269 °C met vloeibaar helium, maar het vereist niet de delicate ultramoderne lasers, vacuümpompen en andere exotische machines die andere kwantumcomputers nodig hebben.

Het ontwerp is ook geschikt voor de lithografietechnieken die worden gebruikt om standaard computerchips te maken, wat de fabricage verder vereenvoudigt. D-Wave vormt een reeks lussen van supergeleiders bij lage temperatuur, zoals aluminium en niobium, op een chip. Wanneer er elektriciteit doorheen stroomt, werken de lussen als kleine magneten. Twee koelkastmagneten zullen natuurlijk omdraaien zodat ze aan elkaar blijven plakken, waardoor de energie ertussen wordt geminimaliseerd. De lussen in de chip van D-Wave gedragen zich op dezelfde manier, waarbij de stroomrichting van rechtsom naar links wordt omgedraaid om de magnetische flux ertussen te minimaliseren. Afhankelijk van het probleem dat het moet aanpakken, is de chip zo geprogrammeerd dat de stroom door elke lus in een bepaalde richting vloeit. De lussen draaien dan spontaan om totdat ze een stabiele energietoestand bereiken, wat de oplossing voor het probleem vertegenwoordigt.

De eerste computer van D-Wave zal niet in staat zijn om de meest geprezen uitbetaling van kwantumcomputing te bereiken: de extreem grote aantallen in het hart van moderne cryptografische systemen exponentieel sneller in rekening brengen dan welke bekende computer dan ook. Het zal echter bij uitstek geschikt zijn voor het oplossen van problemen zoals het beruchte handelsreizigersprobleem, waarbij een verkoper de optimale route tussen steden zoekt. Naarmate hun complexiteit toeneemt, worden dergelijke problemen snel onoplosbaar voor traditionele computers, omdat ze elk mogelijk antwoord moeten onderzoeken. Bij het zoeken naar zijn eigen optimale energietoestand voert de chip van D-Wave precies dit soort berekeningen automatisch uit, in seconden. Toepassingen – waarvan sommige miljarden dollars waard zijn – omvatten het optimaliseren van uiteenlopende items zoals vrachtwagenroutes, financiële portefeuilles en zelfs de lay-outs van traditionele computerchips. Oliver Downs, een medewerker van D-Wave, zegt dat de chip van D-Wave ook moet uitblinken in het modelleren van andere kwantumsystemen, zoals de moleculaire interacties die kenmerkend zijn voor nanomaterialen of medicijnen.

Hoewel robuuster dan typische kwantumcomputers, zullen de systemen van D-Wave nog steeds delicaat zijn. Het bedrijf is dus van plan om oplossingen te verkopen in plaats van computers, zegt Rose. Een klant voert een programma uit om een ​​bepaald probleem op zijn eigen computers op te lossen. Wanneer het programma het onoplosbare deel van het probleem tegenkomt, zal het op afstand de computer van D-Wave bellen om een ​​subroutine uit te voeren. Voor veel gespecialiseerde toepassingen heeft dergelijke speciale hardware het potentieel om superieur te zijn aan zelfs de meest slimme software die op een computer voor algemeen gebruik draait, zegt Meyer van UCSD.

En hoewel veel benaderingen van kwantumcomputing tegen de grenzen van lasers en andere apparatuur botsen, is Downs van mening dat de vroege experimentele resultaten van D-Wave erop wijzen dat de chip precies op schema ligt. Hoewel Meyer zegt dat hij niet kan beoordelen of het bedrijf de zelfopgelegde deadlines zal halen, gelooft hij dat het erin zal slagen een machine te bouwen die precies het soort problemen kan oplossen dat het voor ogen heeft. Ze hebben zowel zeer goede experimentatoren als behoorlijk serieuze theoriemensen in dienst, zegt hij. Dat is zeker de manier om dit soort problemen te benaderen om het in niet-academische hoeveelheden tijd te laten gebeuren.

Bedrijf:
D-Wave-systemen

Hoofdkwartier:
Vancouver, Brits Colombia

Belegd bedrag:
$ 22 miljoen Canadees (ongeveer $ 17,5 miljoen VS)

Hoofdinvesteerder:
Draper Fisher Jurvetson

Belangrijkste oprichters:
Geordie Rose, Alexandre Zagoskin, Bob Wiens, Haig Farris

Technologie:
Quantumcomputers

zich verstoppen