Serieuze kwantumcomputers zijn er eindelijk. Wat gaan we met ze doen?

Jeremy Liebman

In een klein laboratorium in een weelderig landschap, ongeveer 80 kilometer ten noorden van New York City, bungelt een ingewikkelde wirwar van buizen en elektronica aan het plafond. Deze puinhoop van apparatuur is een computer. Niet zomaar een computer, maar een die op het punt staat te passeren wat misschien wel een van de belangrijkste mijlpalen in de geschiedenis van het vakgebied wordt.

Quantumcomputers beloven berekeningen uit te voeren die ver buiten het bereik van een conventionele supercomputer liggen. Ze zouden een revolutie teweeg kunnen brengen in de ontdekking van nieuwe materialen door het mogelijk te maken het gedrag van materie tot op atomair niveau te simuleren. Of ze kunnen cryptografie en beveiliging op zijn kop zetten door anders onoverwinnelijke codes te kraken. Er is zelfs hoop dat ze kunstmatige intelligentie een boost zullen geven door gegevens efficiënter te verwerken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2018

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Maar pas nu, na decennia van geleidelijke vooruitgang, zijn onderzoekers eindelijk dicht bij het bouwen van kwantumcomputers die krachtig genoeg zijn om dingen te doen die conventionele computers niet kunnen. Het is een mijlpaal die enigszins theatraal wordt genoemd quantum suprematie. Google heeft het voortouw genomen in de richting van deze mijlpaal, terwijl Intel en Microsoft ook aanzienlijke kwantuminspanningen hebben. En dan zijn er goed gefinancierde startups, waaronder Rigetti Computing, IonQ en Quantum Circuits.

De natuur is kwantum, verdomme! Dus als we het willen simuleren, hebben we een kwantumcomputer nodig.

Geen enkele andere mededinger kan echter tippen aan de pedigree van IBM op dit gebied. Het bedrijf begon 50 jaar geleden en produceerde vooruitgang in de materiaalwetenschap die de basis legde voor de computerrevolutie. Daarom bevond ik me afgelopen oktober in het Thomas J. Watson Research Center van IBM om te proberen de volgende vragen te beantwoorden: waar zal een kwantumcomputer eventueel goed voor zijn? En kan er zelfs een praktische, betrouwbare worden gebouwd?

Waarom we denken dat we een kwantumcomputer nodig hebben

Het onderzoekscentrum, gelegen in Yorktown Heights, lijkt een beetje op een vliegende schotel zoals voorgesteld in 1961. Het werd ontworpen door de neo-futuristische architect Eero Saarinen en gebouwd tijdens de hoogtijdagen van IBM als maker van grote mainframe-bedrijfsmachines. IBM was het grootste computerbedrijf ter wereld en binnen tien jaar na de bouw van het onderzoekscentrum was het het op vier na grootste bedrijf ter wereld geworden, net achter Ford en General Electric.

Terwijl de gangen van het gebouw uitkijken op het landschap, is het ontwerp zodanig dat geen van de kantoren binnenin ramen heeft. Het was in een van deze afgezonderde kamers dat ik Charles Bennett ontmoette. Nu hij in de 70 is, heeft hij grote witte bakkebaarden, draagt ​​hij zwarte sokken met sandalen en draagt ​​hij zelfs een zakbeschermer met pennen erin. Omringd door oude computerschermen, scheikundemodellen en, merkwaardig genoeg, een kleine discobal, herinnerde hij zich de geboorte van kwantumcomputers alsof het gisteren was.

Charles Bennett van IBM Research is een van de grondleggers van de kwantuminformatietheorie. Zijn werk bij IBM hielp bij het leggen van een theoretische basis voor quantum computing. bartek sadowski

Toen Bennett in 1972 bij IBM kwam werken, was de kwantumfysica al een halve eeuw oud, maar computergebruik vertrouwde nog steeds op de klassieke natuurkunde en de wiskundige informatietheorie die Claude Shannon in de jaren vijftig aan het MIT had ontwikkeld. Het was Shannon die de hoeveelheid informatie definieerde in termen van het aantal bits (een term die hij populair maakte maar niet gebruikte) die nodig was om het op te slaan. Die stukjes, de 0 s en een s van binaire code, vormen de basis van alle conventionele computers.

Een jaar na aankomst in Yorktown Heights hielp Bennett de basis te leggen voor een kwantuminformatietheorie die dat alles zou uitdagen. Het is gebaseerd op het exploiteren van het eigenaardige gedrag van objecten op atomaire schaal. Bij die grootte kan een deeltje in veel toestanden (bijvoorbeeld veel verschillende posities) tegelijk boven elkaar bestaan. Twee deeltjes kunnen ook verstrengeling vertonen, zodat het veranderen van de toestand van de ene onmiddellijk de andere kan beïnvloeden.

Bennett en anderen realiseerden zich dat sommige soorten berekeningen die exponentieel tijdrovend of zelfs onmogelijk zijn, efficiënt kunnen worden uitgevoerd met behulp van kwantumverschijnselen. Een kwantumcomputer zou informatie opslaan in kwantumbits of qubits. Qubits kunnen bestaan ​​in superposities van een en 0 , en verstrengeling en een truc genaamd interferentie kunnen worden gebruikt om de oplossing te vinden voor een berekening over een exponentieel groot aantal toestanden. Het is irritant moeilijk om kwantumcomputers en klassieke computers met elkaar te vergelijken, maar grofweg zou een kwantumcomputer met slechts een paar honderd qubits in staat zijn om meer berekeningen tegelijk uit te voeren dan er atomen zijn in het bekende universum.

In de zomer van 1981 organiseerden IBM en MIT een historisch evenement, de First Conference on the Physics of Computation. Het vond plaats in Endicott House, een herenhuis in Franse stijl niet ver van de MIT-campus.

Op een foto die Bennett tijdens de conferentie nam, zijn enkele van de meest invloedrijke figuren uit de geschiedenis van informatica en kwantumfysica op het gazon te zien, waaronder Konrad Zuse, die de eerste programmeerbare computer ontwikkelde, en Richard Feynman, een belangrijke bijdrage aan Kwantum theorie. Feynman hield de keynote-speech van de conferentie, waarin hij het idee van computers met kwantumeffecten naar voren bracht. De grootste boost die de kwantuminformatietheorie kreeg, was van Feynman, vertelde Bennett me. Hij zei: 'De natuur is kwantum, verdomme! Dus als we het willen simuleren, hebben we een kwantumcomputer nodig.’

IBM's kwantumcomputer - een van de meest veelbelovende die er is - bevindt zich in de hal van Bennetts kantoor. De machine is ontworpen om het essentiële element in een kwantumcomputer te creëren en te manipuleren: de qubits die informatie opslaan.

Dit lab bij IBM herbergt kwantummachines die zijn verbonden met de cloud. jeremy liebman

De kloof tussen de droom en de realiteit

De IBM-machine maakt gebruik van kwantumfenomenen die optreden in supergeleidende materialen. Soms loopt de stroom bijvoorbeeld tegelijkertijd met de klok mee en tegen de klok in. De computer van IBM maakt gebruik van supergeleidende circuits waarin twee verschillende elektromagnetische energietoestanden een qubit vormen.

De supergeleidende benadering heeft belangrijke voordelen. De hardware kan worden gemaakt met behulp van gevestigde fabricagemethoden en een conventionele computer kan worden gebruikt om het systeem te besturen. De qubits in een supergeleidend circuit zijn ook gemakkelijker te manipuleren en minder delicaat dan individuele fotonen of ionen.

In het kwantumlab van IBM werken ingenieurs aan een versie van de computer met 50 qubits. Je kunt een eenvoudige kwantumcomputer op een normale computer simuleren, maar bij ongeveer 50 qubits wordt het bijna onmogelijk. Dat betekent dat IBM theoretisch het punt nadert waarop een kwantumcomputer problemen kan oplossen die een klassieke computer niet kan: met andere woorden, kwantumsuprematie.

Maar zoals de onderzoekers van IBM je zullen vertellen, is kwantumsuprematie een ongrijpbaar concept. Je zou alle 50 qubits nodig hebben om perfect te werken, terwijl kwantumcomputers in werkelijkheid worden geteisterd door fouten waarvoor moet worden gecorrigeerd. Het is ook duivels moeilijk om qubits voor langere tijd te behouden; ze hebben de neiging om te decoheren of hun delicate kwantumkarakter te verliezen, net zoals een rookring bij de minste luchtstroom uiteenvalt. En hoe meer qubits, hoe moeilijker beide uitdagingen worden.

Als je 50 of 100 qubits had en ze werkten echt goed genoeg en waren volledig gecorrigeerd voor fouten, dan zou je ondoorgrondelijke berekeningen kunnen maken die nu of ooit niet op een klassieke machine kunnen worden gerepliceerd, zegt Robert Schoelkopf, een professor en oprichter van Yale. van een bedrijf genaamd Quantum Circuits. De keerzijde van quantum computing is dat er exponentiële manieren zijn waarop het fout kan gaan.

De chips in IBM's kwantumcomputer (onderaan) worden afgekoeld tot 15 millikelvin. jeremy liebman

Een andere reden voor voorzichtigheid is dat het niet duidelijk is hoe nuttig zelfs een perfect functionerende kwantumcomputer zou zijn. Het versnelt niet alleen elke taak die je erop gooit; voor veel berekeningen zou het zelfs langzamer zijn dan klassieke machines. Er zijn tot nu toe slechts een handvol algoritmen bedacht waar een kwantumcomputer duidelijk een voorsprong zou hebben. En zelfs voor hen is die voorsprong misschien van korte duur. Het bekendste kwantumalgoritme, ontwikkeld door Peter Shor aan het MIT, is voor het vinden van de priemfactoren van een geheel getal. Veel veelgebruikte cryptografische schema's zijn gebaseerd op het feit dat dit moeilijk is voor een conventionele computer. Maar cryptografie kan zich aanpassen en nieuwe soorten codes creëren die niet afhankelijk zijn van factorisatie.

Wat de hype aandrijft, is het besef dat kwantumcomputing echt bestaat. Het is niet langer de droom van een natuurkundige, het is de nachtmerrie van een ingenieur.

Dit is de reden waarom, zelfs nu ze de mijlpaal van 50 qubit naderen, IBM's eigen onderzoekers erop gebrand zijn om de hype eromheen te verdrijven. Aan een tafel in de gang die uitkijkt op het weelderige gazon buiten, ontmoette ik Jay Gambetta, een lange, gemakkelijke Australiër die onderzoek doet naar kwantumalgoritmen en mogelijke toepassingen voor IBM-hardware. We bevinden ons in dit unieke stadium, zei hij, zijn woorden met zorg kiezen. We hebben dit apparaat dat ingewikkelder is dan je kunt simuleren op een klassieke computer, maar het is nog niet zo nauwkeurig bestuurbaar dat je de algoritmen zou kunnen uitvoeren die je kent.

Wat de IBMers hoop geeft, is dat zelfs een onvolmaakte kwantumcomputer nog steeds nuttig kan zijn.

Verwant verhaal

Verwant verhaal

Gambetta en andere onderzoekers hebben zich gericht op een toepassing die Feynman in 1981 voor ogen had. Chemische reacties en de eigenschappen van materialen worden bepaald door de interacties tussen atomen en moleculen. Die interacties worden beheerst door kwantumverschijnselen. Een kwantumcomputer kan - althans in theorie - die modelleren op een manier die een conventionele niet kan.

Vorig jaar gebruikten Gambetta en collega's bij IBM een zeven-qubit-machine om de precieze structuur van berylliumhydride te simuleren. Met slechts drie atomen is het het meest complexe molecuul dat ooit is gemodelleerd met een kwantumsysteem. Uiteindelijk kunnen onderzoekers kwantumcomputers gebruiken om efficiëntere zonnecellen, effectievere medicijnen of katalysatoren te ontwerpen die zonlicht omzetten in schone brandstoffen.

Die doelen zijn nog ver weg. Maar, zegt Gambetta, het kan mogelijk zijn om waardevolle resultaten te krijgen van een foutgevoelige kwantummachine in combinatie met een klassieke computer.

Van de droom van een natuurkundige tot de nachtmerrie van een ingenieur

Het ding dat de hype aandrijft, is het besef dat kwantumcomputing echt is, zegt Isaac Chuang, een slanke, zachtaardige MIT-professor. Het is niet langer de droom van een natuurkundige, het is de nachtmerrie van een ingenieur.

Chuang leidde de ontwikkeling van enkele van de vroegste kwantumcomputers, werkend bij IBM in Almaden, Californië, aan het einde van de jaren negentig en het begin van de jaren 2000. Hoewel hij er niet meer aan werkt, denkt hij dat we aan het begin staan ​​van iets heel groots: dat quantum computing uiteindelijk zelfs een rol gaat spelen in kunstmatige intelligentie.

Maar hij vermoedt ook dat de revolutie pas echt zal beginnen als een nieuwe generatie studenten en hackers met praktische machines gaan spelen. Quantumcomputers vereisen niet alleen verschillende programmeertalen, maar ook een fundamenteel andere manier van denken over wat programmeren is. Zoals Gambetta het stelt: we weten niet echt wat het equivalent van 'Hallo, wereld' is op een kwantumcomputer.

We beginnen het te ontdekken. In 2016 verbond IBM een kleine kwantumcomputer met de cloud. Met behulp van een programmeertoolkit genaamd QISKit, kunt u er eenvoudige programma's op uitvoeren; duizenden mensen, van academische onderzoekers tot schoolkinderen, hebben QISKit-programma's gebouwd die elementaire kwantumalgoritmen uitvoeren. Nu zetten Google en andere bedrijven hun opkomende kwantumcomputers ook online. Je kunt er niet veel mee doen, maar ze geven in ieder geval mensen buiten de toonaangevende labs een voorproefje van wat er mogelijk gaat komen.

Ook de startup-community wordt enthousiast. Een korte tijd nadat ik de kwantumcomputer van IBM had gezien, ging ik naar de business school van de Universiteit van Toronto om deel te nemen aan een pitchwedstrijd voor kwantumstartups. Teams van ondernemers stonden zenuwachtig op en presenteerden hun ideeën aan een groep professoren en investeerders. Een bedrijf hoopte kwantumcomputers te gebruiken om de financiële markten te modelleren. Een ander was van plan om ze nieuwe eiwitten te laten ontwerpen. Weer een ander wilde meer geavanceerde AI-systemen bouwen. Wat in de zaal niet werd erkend, was dat elk team een ​​bedrijf voorstelde dat was gebouwd op een technologie die zo revolutionair was dat deze nauwelijks bestaat. Weinigen leken ontmoedigd door dat feit.

Dit enthousiasme zou kunnen verzuren als de eerste kwantumcomputers langzaam praktisch nut vinden. De beste gok van degenen die de moeilijkheden echt kennen - mensen als Bennett en Chuang - is dat de eerste bruikbare machines nog enkele jaren verwijderd zijn. En dat is ervan uitgaande dat het probleem van het beheren en manipuleren van een grote verzameling qubits uiteindelijk niet onhandelbaar zal blijken te zijn.

Toch houden de experts hoop. Toen ik hem vroeg hoe de wereld eruit zou zien als mijn twee jaar oude zoon opgroeit, antwoordde Chuang, die computers leerde gebruiken door met microchips te spelen, met een grijns. Misschien heeft je kind een kit om een ​​kwantumcomputer te bouwen, zei hij.

zich verstoppen