Quantumbits gebruiken

De prestatie zal daar misschien niet zo hoog zijn als Samuel Morse's uitzending What hath God wrought van Washington, DC, naar Baltimore in 1844 of de stem van Alexander Graham Bell, Watson, come here. Ik wil dat je in 1876 van de ene kamer naar de andere gaat. Toch kunnen wetenschappers uiteindelijk de dag in 2001 markeren als een mijlpaal toen Isaac Chuang en zijn collega's bij IBM vaststelden dat de twee priemfactoren van het getal 15 drie en vijf zijn.

Wat hun berekening opmerkelijk maakte, was natuurlijk niet de rekenkunde van het gymnasium, maar dat de berekening was uitgevoerd door zeven atoomkernen in een speciaal ontworpen fluorkoolstofmolecuul. De ironie dat een experiment dat zo complex en delicaat is, een resultaat zou opleveren dat zo banaal en alledaags is, gaat niet verloren aan Chuang, een van 's werelds meest vooraanstaande onderzoekers op het gebied van kwantumcomputers. Mijn groep, zegt hij grinnikend, heeft het wereldrecord voor de grootste en meest nutteloze kwantumcomputer.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2003

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Maar Chuang, nu universitair hoofddocent aan het MIT Media Lab, toont misschien een overmaat aan nederigheid. Quantumcomputers bestaan ​​vandaag de dag alleen nog op een pijnlijk kleine schaal. Maar ondanks een trage start lijkt het veld op het punt te staan ​​echte vooruitgang te boeken op het gebied van kwantumtheorie en techniek. Onderzoekers hebben de eerste ontwerpen voorgesteld voor grootschalige kwantumcomputers, apparaten die de bizarre eigenschappen van subatomaire deeltjes gebruiken die bestaan ​​met de uitersten van kleine omvang en hoge snelheid om problemen op te lossen die zelfs de krachtigste conventionele computerapparatuur in de war brengen.

Een technische benadering met veel belofte maakt gebruik van een klasse apparaten die individuele elektronen in een elektromagnetisch veld kunnen vangen. Hun spin, of oriëntatie in een magnetisch veld, kan worden waargenomen om een ​​kwantumbit of qubit te produceren. Een andere veelbelovende benadering maakt gebruik van nucleaire magnetische resonantie, die verzamelingen of ensembles van moleculen kan manipuleren om berekeningen uit te voeren en resultaten in een meetbare vorm terug te geven. Dit is de techniek die Chuang en Neil Gershenfeld, een mede-hoogleraar van het MIT Media Lab, onderzoeken. Mensen komen met al deze tools die het maken van een kwantumcomputer gemakkelijker maken, zegt Jonathan Dowling, hoofdwetenschapper en supervisor van de groep voor kwantumcomputertechnologieën bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, CA.

Dit onderzoek begint ook op korte termijn spin-offs aan te geven, waaronder verbeteringen in elektronische bedieningselementen voor navigatie-, communicatie- en meetapparatuur. Een van de dingen die ik doe, is manieren bedenken om kwantumcomputing te gebruiken om betere gadgets te maken, zegt Dowling. Een van zijn projecten is een kwantumgyroscoop die het kwantumgedrag van fotonen zou exploiteren om deze cruciale navigatieapparaten gevoeliger te maken. De opwinding heeft zich zelfs verspreid naar de kunstmatige-intelligentiegemeenschap: er zijn tekenen dat het vermogen van kwantumalgoritmen om meerdere mogelijkheden tegelijkertijd te onderzoeken, zou kunnen helpen bij het ontginnen van grootschalige databases, een van de belangrijkste praktische doelen van het veld. Als de geografische positioneringssystemen, mobiele telefoons, zoekmachines en geïntegreerde schakelingen van de toekomst veel nauwkeuriger of betrouwbaarder zijn dan die van vandaag, kan dit het resultaat zijn van baanbrekende kwantumcomputerinspanningen die momenteel in laboratoria over de hele wereld worden uitgevoerd.

De elektronica-industrie heeft dit natuurlijk opgemerkt. IBM sponsort onderzoek naar kwantumcomputers in het Almaden Research Center aan de rand van Silicon Valley, waar Chuang zijn eerste werk uitvoerde, en in het vlaggenschip Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights, NY. Hewlett-Packard ondersteunt kwantumcomputeronderzoek in zijn laboratoria in Palo Alto, CA, en Bristol, Engeland. En de halfgeleiderindustrie, die volwassen is geworden samen met de vooruitgang in de elektronica van klassieke informatica, houdt de ontwikkelingen in het veld scherp in de gaten, om beter voorbereid te zijn op het post-Moore's Law-tijdperk, wanneer miniaturisatie van klassieke elektronische circuits botsen tegen fysieke grenzen. Experts voorspellen dat dit ergens in de komende twee decennia zal gebeuren.

De vooruitgang is traag, maar het is gestaag geweest, zegt David P. DiVincenzo van IBM's Watson-lab. Twee of drie jaar geleden zijn er enkele belangrijke inspanningen gestart die hun vruchten beginnen af ​​te werpen.

Meerdere werkelijkheden

Wat de technologische benadering ook is, het doel van kwantumcomputing is om te profiteren van de kwaliteit van de kwantummechanica die ontwerpers van klassieke computers machtig proberen te vermijden: de pure gekheid ervan.

De logische circuits van traditionele computers werken bijvoorbeeld door discrete verschillen te detecteren in de spanning die door elektronische poorten gaat: een hoge spanning geeft een binaire aan en een lage spanning geeft een nul aan. Binaire informatie kan ook worden weergegeven door de spin van een elektron of de polariteit van een foton. Maar omdat deze deeltjes bestaan ​​in het kwantumrijk, dat wordt gekenmerkt door oneindig kleine afstanden, bijna lichtsnelheid en extreem lage energieniveaus, kunnen hun toestanden niet altijd worden onderscheiden als strikt één of nul. Elektronen en fotonen kunnen zich als golven gedragen in plaats van deeltjes, lijken meer dan één plaats tegelijk in te nemen en vertonen tegelijkertijd onverenigbare toestanden: de spin van een elektron kan bijvoorbeeld zowel omhoog als omlaag gaan, een toestand die de kwantummechanica superpositie noemt. In computertermen kan de qubit tegelijkertijd één en nul zijn.

Het tweede fenomeen dat belangrijk is voor quantum computing is verstrengeling, waarbij twee of meer deeltjes worden gecreëerd met onderling afhankelijke eigenschappen: wanneer bijvoorbeeld een enkel foton wordt omgezet in twee complementaire deeltjes door een optische bundelsplitser. Het meten van de eigenschappen van het ene deeltje bepaalt ogenblikkelijk de toestand van het andere, zelfs als de twee op het moment van meten door galactische afstanden van elkaar gescheiden zijn. (Einstein bespotte dit fenomeen beroemd als spookachtige actie op afstand.)

Lange tijd werd aangenomen dat deze verschijnselen zouden kunnen worden gebruikt om rekenproblemen op te lossen die buiten het bereik van traditionele technologie liggen. Een enkele kwantumbit die in twee toestanden tegelijk kan zijn, kan het werk doen van twee klassieke bits die parallel werken. (Alleen wanneer het deeltje wordt gemeten of waargenomen, worden alle mogelijkheden opgelost in één enkele, klassieke realiteit.) Twee verstrengelde qubits kunnen tegelijkertijd vier inputs evalueren. Anders gezegd, een traditioneel geheugenregister met acht bits kan slechts één van de mogelijke 28 of 256 digitale woorden opslaan, maar een kwantumregister met acht qubits kan alle 256 woorden tegelijk vertegenwoordigen en berekenen.

Dergelijke algemene opvattingen werden onder meer al in de jaren tachtig verwoord door Richard Feynman. Jarenlang had niemand echter een duidelijk idee hoe ze konden worden toegepast op echte problemen. In 1994 beschreef wiskundige Peter W. Shor van AT&T Bell Labs een algoritme, of programma, dat aantoonde dat een kwantumcomputer grote getallen exponentieel sneller kon factoriseren dan welke bekende conventionele methode dan ook.

De ontdekking van Shor was belangrijk omdat factoring precies het soort probleem is dat conventionele computers overweldigt: naarmate een aantal groter wordt, breiden de middelen die nodig zijn om het te factoriseren snel uit. Het getal zes berekenen is triviaal, maar experts schatten dat het alle supercomputers ter wereld langer zou kosten dan de leeftijd van het bekende universum om de factoren van een getal met 300 cijfers te vinden.

Factoring is bovendien een wiskundig probleem bij toepassingen in de echte wereld. De zeer hardnekkige factoring van grote getallen vormt de kern van moderne cryptografie, die erop vertrouwt om onbreekbare sleutels te creëren. Het algoritme van Shor vertegenwoordigde zowel een dolk in het hart van ouderwetse onbreekbare codes als een wegwijzer die wees naar een nieuwe klasse van echt onbreekbare codes. Inderdaad, veel experts op het gebied van kwantumcomputers voorspellen dat kwantumcryptografie de eerste commerciële toepassing zal zijn die voortkomt uit de jonge wetenschap, en er zijn al minstens drie bedrijven opgericht om veilige communicatiesystemen op de markt te brengen op basis van kwantumfactoring ( zien Kwantumcryptografie , TR februari 2003 ).

Voorbij veilige codes

tegelijkertijd veroorzaakte het werk van shor een golf van interesse in andere mogelijke toepassingen van kwantumcomputing. Na het eerste resultaat van Shor, zegt computerwetenschapper Wim van Dam van HP Labs, was iedereen erg optimistisch dat we heel veel algoritmen zouden vinden waarvoor quantumcomputing nuttig zou zijn. Maar gedurende het grootste deel van de jaren negentig bleven dergelijke geweldige apps ongrijpbaar. Een tijdlang vreesden wetenschappers dat het factoringprobleem de enige uitbetaling van kwantumcomputing zou zijn.

In de afgelopen twee jaar heeft een beter begrip van de werking van qubits echter geleid tot een nieuwe zoektocht naar problemen die qubits bijzonder goed kunnen oplossen. Edward Farhi van het Center for Theoretical Physics aan het MIT is een van degenen die dat werk hebben gedaan. De hele focus van onze interesse, zegt Farhi, is als je een perfect werkende kwantumcomputer had, wat zou je ermee doen?

Farhi en zijn collega's hebben een reeks algemene, zij het abstracte, berekeningen geïdentificeerd die kwantumcomputers veel sneller kunnen voltooien dan klassieke computers. Een daarvan is een navigatieprobleem waarbij een reiziger zonder kaart of gids van startpunt naar bestemming gaat via willekeurige paden die vertakken vanaf een bepaald aantal tussenstations. Het verbaast niemand, Farhi's team toonde aan dat onder dergelijke omstandigheden de tijd die een klassieke computer nodig heeft om een ​​weg te vinden vanaf het punt NAAR wijzen B breidt exponentieel uit naarmate het aantal vertakkingspunten tussen NAAR en B neemt toe. Een kwantumcomputer zou daarentegen alle mogelijke paden tegelijk afleggen en betrouwbaar zijn weg door het doolhof vinden in een tijdsbestek dat alleen rekenkundig uitbreidt met de complexiteit van het doolhof.

Ik ben best tevreden met dit ding, ook al is het een beetje kunstmatig, zegt Farhi. Wat het probleem van Farhi onderscheidt van het beroemde handelsreizigersprobleem en andere logistieke raadsels, is dat de reiziger geen kaart heeft en daarom slechts beperkte kennis van het pad. Maar in de echte wereld heeft een reiziger waarschijnlijk een kaart met alle mogelijke paden, en de uitdaging is om de meest efficiënte route te vinden. Het enige wat een kwantumcomputer doet, is alle paden tegelijk afleggen om snel op de bestemming te komen, maar het zal geen bepaalde route produceren. Het is dus nog niet duidelijk of het werk van Farhi wijst op een praktische toepassing. Dit is een opstap naar een beter voorbeeld, zegt Farhi hoopvol. Ik denk dat je zou kunnen zeggen dat we op zoek zijn naar een voorbeeld uit de echte wereld.

Een waarschijnlijker gebruik van kwantumcomputing kan zijn bij zoekopdrachten in databases. In 1996 ontwikkelde Lov Grover, een natuurwetenschappelijk onderzoeker bij Bell Labs van Lucent Technologies, een algoritme dat liet zien hoe quantum computing zoekopdrachten enorm kon versnellen: een klassieke computer die een telefoonboek doorzocht met bijvoorbeeld een miljoen vermeldingen zou gemiddeld zo'n vijfhonderdduizend probeert een enkel gespecificeerd telefoonnummer te vinden. Een kwantumcomputer zou slechts duizend pogingen nodig hebben.

Het punt is, zegt Farhi, kwantumversnelling is niet universeel. Dus het vinden van problemen waarvoor het voordelig is, is een kunst.

Qubit Trappers

Terwijl Farhi en zijn collega's bepalen wat er met een kwantumcomputer kan worden gedaan, zijn anderen hard aan het werk om de hardware zelf te ontwikkelen.

DiVincenzo van IBM zegt dat een praktische kwantumcomputer vijf fundamentele mogelijkheden moet hebben: hij moet zorgen voor qubits-deeltjes of groepen deeltjes die kunnen worden geïsoleerd en in superpositie kunnen worden geplaatst, de onbepaalde toestand waarin ze zowel enen als nullen vertegenwoordigen. Het moet voor operators mogelijk zijn om de begintoestanden van de qubits te controleren, analoog aan ze allemaal op nul te zetten aan het begin van een berekening. De qubits moeten lang genoeg stabiel blijven in superpositie om een ​​bewerking uit te voeren, van milliseconden tot enkele seconden. Het moet mogelijk zijn om kwantumlogische circuits te implementeren die overeenkomen met Booleaanse operatoren als: en , of , en niet , die de basis vormen van de traditionele computerarchitectuur. In klassieke computers zijn deze uitdrukkingen belichaamd in elektrische circuits. De eenvoudigste logische poort, de niet-poort, zet een inkomende digitale poort om in een nul en omgekeerd. Om qubits te manipuleren, zullen kwantumcircuits technieken moeten gebruiken zoals extreem nauwkeurige besturing van magnetische velden of laserpulsen.

De laatste eis van een quantumcomputer is dat hij de resultaten van een berekening toegankelijk maakt voor de gebruiker, bijvoorbeeld door middel van een visuele uitlezing.

De meeste experimenten met kwantumcomputers komen neer op inspanningen die voldoen aan een of meer vereisten van DiVincenzo. Er zijn waarschijnlijk een half dozijn serieuze voorstellen en tien keer zoveel die niet serieus zijn, zegt Bruce Kane, die gespecialiseerd is in de wetenschap van apparaten met één elektron aan de Universiteit van Maryland.

Chuang en Gershenfeld gebruikten bijvoorbeeld kernmagnetische resonantie om de spin van qubits in bulkmaterialen te meten - een flesje met een miljard miljard moleculen op maat gemaakt van fluor, koolstof, ijzer, waterstof en zuurstof. De spins van de kernen van de vijf fluor- en twee koolstofatomen in elk molecuul functioneerden als interagerende qubits om het algoritme van Shor uit te voeren. Hoewel de prestatie van Chuang en Gershenfeld bij het controleren en meten van de spins van zeven qubits alom werd geprezen, geloven velen in het veld dat het opschalen van deze benadering buitengewoon moeilijk zal zijn. De beperking is dat elke keer dat je qubits toevoegt, de signaal-ruisverhouding afneemt, zegt Kane, verwijzend naar de hoeveelheid nuttige informatie - zoals het teveel aan deeltjes met één spin over deeltjes met een andere spin - die kan worden onderscheiden van willekeurige verstoringen in het bulkmateriaal van fluorkoolstof.

Chuang erkent zelf dat zijn zeven-bits kwantumcomputer ver achterblijft bij de schaal die nodig is voor zinvolle berekeningen. Om het praktisch te maken, moeten we duizenden, zo niet honderdduizenden qubits krijgen, zegt hij. Een rivaliserende benadering die gebruikmaakt van technische technieken op nanoschaal om qubit-containers te bouwen, voegt hij eraan toe, is mogelijk gemakkelijker op te schalen.

David J. Wineland en zijn team bestuderen dit alternatief bij de Time and Frequency Division van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology in Boulder, CO. Ze bouwen miniatuurapparaten met elektroden die ionen isoleren in vallen die zijn gemaakt van elektrische velden. Het voordeel van deze aanpak, zegt Wineland, is dat ionenvallen relatief eenvoudig te fabriceren zijn, aan elkaar kunnen worden gekoppeld en meer dan één ion per val kunnen bevatten. Wineland suggereert dat een reeks ionen opgesloten in een enkele val zou kunnen functioneren als een soort kwantumgeheugen, en elke extra qubit zou de opslagcapaciteit exponentieel uitbreiden. De Wineland-groep heeft dergelijke qubits al overgehaald om tot 10 minuten in een staat van superpositie te blijven. Maar een huidige zwakte in dit schema is dat het moeilijk is om kwantuminformatie over te dragen tussen ionen die in afzonderlijke vallen worden gehouden, een noodzaak voor grootschalige berekeningen.

Quantum spin-offs

het creëren van qubits die op elkaar inwerken en lang genoeg in superpositie blijven om zichzelf nuttig te maken, zal quantumcomputeronderzoekers de komende jaren bezighouden. Toch komen er praktische uitbetalingen naar voren nu wetenschappers de fenomenen achter kwantumcomputing op gerelateerde gebieden exploiteren.

Bij NIST, wiens institutionele missie het vaststellen van normen voor het meten van tijd omvat, was Winelands interesse in kwantumberekening zelfs ouder dan het algoritme van Shor. We begonnen manieren te bedenken waarop kwantumverstrengeling kan worden gebruikt om de signaal-ruisverhouding in atoomklokken te verbeteren, legt hij uit. We wisten dat er een kwantumverstrengelingstoestand was die de klok kon verbeteren, en de ideeën van kwantumberekening lieten zien hoe je die kon maken. Grofweg werken de atoomklokken van vandaag door het gemiddelde te nemen van gelijktijdige metingen van de oscillerende magnetische velden van meer dan een miljoen cesiumatomen; kwantumverstrengeling zou de tijd kunnen verkorten die nodig is om dat gemiddelde te berekenen en de precisie te verbeteren door toe te staan ​​dat veel metingen tegelijkertijd worden uitgevoerd.

Dowling van het Jet Propulsion Laboratory voegt eraan toe dat kwantumverstrengeling een betere manier kan zijn om aardgebonden klokken te synchroniseren met die in de ruimte. Momenteel wordt grond-en-ruimtesynchronisatie, die meestal via radio wordt gedaan, verstoord, zij het minutieus, door atmosferische breking en andere effecten. Omdat verstrengelde fotonen op kwantumniveau met elkaar verbonden zijn, zijn ze immuun voor deze fysieke verstoringen. Het zou heel wat zijn om die [effecten] uit te schakelen, zegt Dowling. Hij stelt voor om verstrengelde deeltjes naar de te synchroniseren locaties te sturen. Door het ene deeltje te meten, zou het andere onmiddellijk gaan tikken, zegt Dowling. Nadat ze hun klokken hadden gekalibreerd op de tikkende deeltjes, zouden operators weten dat de klokken in overeenstemming waren.

Om te voorkomen dat iemand denkt dat verfijningen op kwantumschaal van tijdmeting alleen van academisch belang zijn, moet worden opgemerkt dat atomaire tijdwaarneming de basis is van geografische positioneringssystemen, satellietvolgtechnologieën en mobiele communicatienetwerken, die met de seconde worden gesynchroniseerd. De geschiedenis heeft voor altijd aangetoond dat wanneer er een betere klok is, deze wordt gebruikt, zegt Wineland. Het is een goede gok dat die trend zich zal voortzetten.

Wetenschappers in de industrie zoeken ondertussen naar manieren om quantum computing op te starten door het te koppelen aan conventionele technologieën waarmee ze meer ervaring hebben. Vorig jaar smeedde Hewlett-Packard een werkalliantie van $2,5 miljoen met Gershenfeld en Chuang om, zoals HP Labs senior wetenschapper Philip Kuekes zegt, onze respectieve expertise te combineren. HP is bijvoorbeeld geïntrigeerd door de mogelijkheid om kwantumbits te verzenden via gewone glasvezellijnen, waarvan duizenden kilometers geïnstalleerd maar onderbenut zijn in het hele land. Dat is eigenlijk best interessant, zegt Kuekes. De langeafstandstransmissie van kwantuminformatie, versterkt door de kenmerken van kwantumverstrengeling, zou correspondenten in staat stellen codesleutels te delen zonder bang te hoeven zijn dat ze in gevaar worden gebracht. Dat betekent, voegt hij eraan toe, dat een van de dingen die vrij vroeg kunnen gebeuren, kwantumcryptografie is.

Hoewel, zoals onderzoek heeft aangetoond, qubits kunnen worden verzonden via glasvezellijnen, werken de transmissies niet meer dan tientallen kilometers per keer. Het verzenden van qubits over continenten of oceanen, zegt Kuekes, zou een systeem van kwantumschakelaars en repeaters vereisen, analoog aan de solid-state versies die helpen gegevens over het internet te verplaatsen. Dit zou neerkomen op eenvoudige kwantumcomputers die zijn uitgerust met foutcorrigerende software die het onvermijdelijke verlies van superpositie tussen veel van de reizende qubits zou kunnen compenseren. De ontwikkeling van deze software is een van de hoofdlijnen van het onderzoek van HP Labs.

In een wetenschappelijk voorbeeld van het feit dat het kind de vader van de man is, heeft toegepast onderzoek enkele bijkomende voordelen opgeleverd, zelfs in de moederwetenschap van de kwantummechanica. De tools die nodig zijn om quantum computing te perfectioneren, zo blijkt, helpen ook om deeltjesgedrag aan te tonen dat natuurkundigen tot nu toe alleen in theorie hebben geponeerd.

Er is een mooie terugvloeiing de andere kant op, zegt John Preskill, hoogleraar theoretische natuurkunde aan Caltech. Interesse in quantum computing heeft veel interessante wetenschap geïnspireerd. We zijn nog ver verwijderd van een crashprogramma in de techniek, maar we betreden een nieuw tijdperk in de fysica van de gecondenseerde materie.

Dit is grotendeels het gevolg van de eis van quantum computing dat qubits met ongekende precisie moeten worden gecontroleerd en gemeten. De traditie in de fysica van de gecondenseerde materie was om experimenten uit te voeren op ensembles, dat wil zeggen enorme hoeveelheden atomen waarvan het kwantumgedrag statistisch kan worden geïdentificeerd, zegt Preskill. Normaal gesproken meet je het gedrag van afzonderlijke elektronen niet.

Vooral de experimenten van Wineland bij NIST, zegt Preskill, hebben natuurkundigen een ongeëvenaard inzicht gegeven in het gedrag van individuele deeltjes. De uitsplitsing van qubits in klassieke enen of nullen, bijvoorbeeld, is een fenomeen dat wetenschappers in het verleden alleen konden afleiden door hele wolken van elektronen of fotonen te observeren. Het gemiddelde signaal van de wolken zou aangeven of sommige deeltjes hun kwantumtoestand hadden veranderd, maar je zou het individuele gedrag van de deeltjes niet echt zien, zegt Preskill. Het is echt een nieuw soort experiment.

Preskill waarschuwt, net als anderen in het veld, dat veel vragen moeten worden beantwoord en kritieke problemen moeten worden opgelost voordat kwantumcomputing verder kan gaan dan de huidige elementaire toepassingen. Of dit vakgebied er over 10 jaar nog zo spannend uitziet, durf ik niet te zeggen, geeft hij toe. Maar voor nu voelt het veld fris en nieuw aan. Alweer.

zich verstoppen