211service.com
Google tror det er nær kvanteoverlegenhet. Her er hva det egentlig betyr.
Syttito er kanskje ikke et stort antall, men i kvantedatabehandling er det enormt. Denne uken Google avduket Bristlecone, en ny kvantedatabrikke med 72 kvantebiter, eller qubits – de grunnleggende beregningsenhetene i en kvantemaskin. Som vår qubit-teller og tidslinje viser, er den forrige rekordholderen bare en 50-qubit-prosessor annonsert av IBM i fjor.
John Martinis, som leder Googles innsats, sier teamet hans fortsatt trenger å gjøre mer testing, men han tror det er ganske sannsynlig at i år, kanskje til og med om bare noen få måneder, kan den nye brikken oppnå kvanteoverlegenhet. Det er punktet der en kvantedatamaskin kan gjøre beregninger utenfor rekkevidden til dagens raskeste superdatamaskiner.
Når Google eller et annet team endelig erklærer suksess, kan du forvente en flom av overskrifter om begynnelsen av en ny og spennende æra. Kvantedatamaskiner skal hjelpe oss med å oppdage nye legemidler og lage nye materialer, i tillegg til å snu kryptografi på hodet.
Men virkeligheten er mer komplisert. Du vil slite med å finne enhver [forsker] som liker begrepet 'kvanteoverlegenhet', sier Simon Benjamin, en kvanteekspert ved Oxford University. Det er veldig fengende, men det er litt forvirrende og overselger hva kvantedatamaskiner vil kunne gjøre.
Kvantebyggesteiner
For å forstå hvorfor, litt kort bakgrunn. Magien med kvantedatamaskiner ligger i disse qubitene. I motsetning til bitene i klassiske datamaskiner, som lagrer informasjon som enten en eller 0 , qubits kan eksistere i flere tilstander av en og 0 på samme tid - et fenomen kjent som superposisjon. De kan også påvirke hverandre selv når de ikke er fysisk tilkoblet, via en prosess kjent som sammenfiltring.
Det dette koker ned til er at selv om noen få ekstra biter bare utgjør en beskjeden forskjell for en klassisk datamaskins kraft, kan det å legge til ekstra qubits til en kvantemaskin øke dens beregningskraft eksponentielt. Det er derfor det i prinsippet ikke tar så mange qubits for å overvinne selv de kraftigste av dagens superdatamaskiner.
Å lage qubits krever imidlertid store tekniske bragder, som å bygge superledende kretsløp som holdes ved temperaturer kaldere enn verdensrommet (tilnærmingen Google bruker). Det er nødvendig for å isolere dem fra omverdenen. Endringer i temperaturen eller de minste vibrasjonene – fenomener kjent som støy – kan føre til at qubits dekoherer, eller mister sin skjøre kvantetilstand. Når det skjer, kommer feil raskt inn i beregninger.
Og jo større antall qubits, jo flere feil er det. De kan korrigeres ved hjelp av ekstra qubits eller smart programvare, men det taper mye av maskinens beregningskapasitet. I løpet av de siste årene har fremskritt innen superkjølingsteknologi og andre områder økt antallet qubits som kan spinnes opp og administreres effektivt. Men det er fortsatt en konstant kamp mellom makt og kompleksitet.
Håp om å nå kvanteoverherredømme har blitt knust før. En stund trodde forskere at en 49-qubit-maskin ville være nok, men i fjor klarte forskere ved IBM å simulere et 49-qubit kvantesystem på en konvensjonell datamaskin (se Nye vendinger på veien til kvanteoverlegenhet ). Heller ikke konvensjonelle datamaskiner står stille: Spesielt Kina har investert tungt i teknologien og kan nå skryte av verdens to kraftigste maskiner.
Googles store øyeblikk
Likevel, sier Daniel Gottesman fra Perimeter Institute for Theoretical Physics i Canada, mens bedre algoritmer og digitale datamaskiner kan flytte terskelen for overlegenhet litt, vil det sannsynligvis bare kreve noen få ekstra qubits for at en kvantemaskin virkelig skal overgå dem. Med Bristlecones 72 qubits er det nok av ildkraft å leke med.
Ved å bruke Bristlecone planlegger Martinis og kollegene å kjøre en test som prøver å demonstrere kvanteoverlegenhet. Den strenge definisjonen av benchmark er at oppgaven skal være umulig for en konvensjonell datamaskin å utføre. Men dette reiser et vanskelig problem: hvordan vet du egentlig om en kvantedatamaskin har produsert et riktig svar hvis du ikke kan sjekke det med en som bruker silisiumbiter?
For å takle dette planlegger Google-teamet å gå rett til kanten, ved å bruke en kvantemaskin for å løse en algoritme på ytterste grense for mulighetene til dagens superdatamaskiner. Du kan også vise at algoritmen er eksponentielt komplisert, forklarer Martinis. Å legge til bare én qubit til ville da ta kvanteenheten langt utover hva en konvensjonell maskin kunne håndtere på rimelig tid.
Navnespill
Selv om Google når den magiske målestokken, vil kompleksiteten og kostnadene ved å administrere kvantemaskiner begrense hvor nyttige de kan være.
Selv om det er noen potensielt lovende applikasjoner, for eksempel å designe molekyler nøyaktig (se 10 Breakthrough Technologies 2018), vil klassiske maskiner fortsatt være bedre, raskere og langt mer økonomiske til å løse de fleste problemer. Å bruke en kvantedatamaskin vil være som å leie en jumbojet for å krysse veien, sier Benjamin ved Oxford University.
Han foreslår at snarere enn kvanteoverlegenhet, bør vi snakke om å oppnå kvante-uetterlignelse - med andre ord spesifikke oppgaver som bare kvantedatamaskiner kan gjøre. Andre forskere har foreslått navn som kvantefordel eller kvanteoverskridelse.
Semantikken betyr noe. Teknologier som AI gikk gjennom flere hype-sykluser før de virkelig tok av. Det er en risiko for at hvis forventningene heves for høyt nå, vil kvantemaskiner ikke klare å leve opp til dem (se Seriøse kvantedatamaskiner er endelig her. Hva skal vi gjøre med dem? ). Det kan utløse en utvandring av investorer, som har pumpet millioner av dollar inn i kvantestartups.
Relatert historie
Relatert historie Til og med opphavsmannen til kvanteoverlegenhet prøver å dempe buzzet han bidro til å skape. John Preskill, en teoretisk fysiker ved California Institute of Technology, laget begrepet i en tale i 2011. I januar i år publiserte han begrepet et papir der han sa at kvantedatabehandling var i ferd med å gå inn i en fase han kalte NISQ, eller støyende mellomstadium kvante, der maskiner vil ha 50 til noen få hundre qubits. 'Støyende,' skrev han, betyr at vi vil ha ufullkommen kontroll over disse qubitene; støyen vil sette alvorlige begrensninger på hva kvanteenheter kan oppnå på kort sikt. Preskill sa at han fortsatt er overbevist om at kvantedatamaskiner vil ha en transformativ effekt på samfunnet, men at transformasjonen, innrømmer han, fortsatt kan være flere tiår unna.
Støyproblemet er et omstridt spørsmål. Gil Kalai, professor ved det hebraiske universitetet i Jerusalem, har argumentert at utfordringene med støy er så store at de vil forhindre at kvantemaskiner noen gang blir virkelig nyttige. Mange eksperter er uenige. Støy kan håndteres, sier Andrew Childs, meddirektør for Joint Center for Quantum Information and Computer Science ved University of Maryland. Du trenger bare å forstå hvor mye av det du tåler.
Googles Martinis er også klar over at forventningene må håndteres. Algoritmen som teamet hans planlegger å bruke er en veldig spesifikk algoritme for å teste kvantemaskiners evner i stedet for å oppnå noe praktisk. Så snart vi kommer til kvanteoverlegenhet, sier han, vil vi vise at en kvantemaskin kan gjøre noe virkelig nyttig.