211service.com
Microsofts kvantemekanikk
I 2012 annonserte fysikere i Nederland en oppdagelse innen partikkelfysikk som startet skravling om en Nobelpris. Inne i en liten stang av halvlederkrystall som var kjøligere enn verdensrommet, hadde de fått det første glimtet av en merkelig partikkel kalt Majorana-fermion, som endelig bekreftet en spådom fra 1937. Det var et fremskritt som tilsynelatende ikke var relatert til utfordringene med å selge kontorproduktivitetsprogramvare eller konkurrerer med Amazon innen cloud computing, men Craig Mundie, som da ledet Microsofts teknologi- og forskningsstrategi, var strålende fornøyd. Den grove oppdagelsen – delvis underskrevet av Microsoft – var avgjørende for et prosjekt hos selskapet som hadde som mål å gjøre det mulig å bygge uhyre kraftige datamaskiner som knuser data ved hjelp av kvantefysikk. Det var et sentralt øyeblikk, sier Mundie. Denne forskningen veiledet oss mot en måte å realisere et av disse systemene.
Microsoft er nå nesten et tiår inne i det prosjektet og har akkurat begynt å snakke offentlig om det. Hvis det lykkes, kan verden endre seg dramatisk. Siden fysikeren Richard Feynman først foreslo ideen om en kvantedatamaskin i 1982, har teoretikere bevist at en slik maskin kunne løse problemer som ville ta de raskeste konvensjonelle datamaskinene hundrevis av millioner år eller lenger. Kvantedatamaskiner kan for eksempel gi forskere bedre verktøy til å designe nye medisiner eller supereffektive solceller. De kan revolusjonere kunstig intelligens.
Denne historien var en del av november 2014-utgaven vår
- Se resten av saken
- Abonnere
Fremgangen mot det beregningsmessige nirvana har vært sakte fordi ingen har vært i stand til å lage en pålitelig nok versjon av den grunnleggende byggesteinen til en kvantedatamaskin: en kvantebit, eller qubit, som bruker kvanteeffekter for å kode data. Akademiske og offentlige forskere og bedriftslaboratorier ved IBM og Hewlett-Packard har alle bygget dem. Små tall er koblet sammen, og de resulterende enhetene blir bedre. Men ingen kan kontrollere fysikken godt nok til at disse qubitene kan tjene som grunnlag for en praktisk generell datamaskin.
Microsoft har ennå ikke engang bygget en qubit. Men i den typen paradokser som kan forventes i kvantefysikkens rike, kan det også være nærmere enn noen andre å gjøre kvantedatamaskiner praktiske. Selskapet utvikler en ny type qubit, kjent som en topologisk qubit, hovedsakelig basert på oppdagelsen fra 2012 i Nederland. Det er god grunn til å tro at denne designen vil være immun mot flaksheten som plager eksisterende qubits. Den vil også være bedre egnet til masseproduksjon. Det vi gjør er analogt med å lage den første transistoren, sier Peter Lee, Microsofts forskningssjef. Selskapet hans jobber også med hvordan kretsene til en datamaskin laget med topologiske qubits kan utformes og kontrolleres. Og Microsoft-forskere som jobber med algoritmer for kvantedatamaskiner har vist at en maskin som består av bare hundrevis av qubits, kan kjøre kjemisimuleringer utover kapasiteten til enhver eksisterende superdatamaskin.
I løpet av det neste året eller så, vil fysikklaboratorier støttet av Microsoft begynne å teste viktige deler av qubit-designet, etter en plan utviklet av et utendørs mattegeni. Hvis disse testene fungerer, kan et selskap som antas å sitte fast i datafortiden, låse opp fremtiden.
Fremdeles fremmed: en fysiker ved de sagnomsuste, men falmede Bell Labs kan komme dit først.
Bundet i knuter
I et solfylt rom 100 meter fra Stillehavet innrømmer Michael Freedman, initiativtakeren og den tekniske hjernen til Microsofts prosjekt, at han føler seg mindreverdig. Når du begynner å tenke på kvanteberegning, skjønner du at du selv er en slags klønete kjemisk analog datamaskin, sier han. Freedman, som er 63, er direktør for Station Q, Microsofts forskningsgruppe som leder arbeidet med å lage en topologisk qubit, og jobber fra et titalls kontorer på campus ved University of California, Santa Barbara. Fit og solbrun har han støv på skoene fra å gå langs en strandsti til lunsj.
Hvis sinnet hans er en klønete kjemisk datamaskin, er det en ekstraordinær en. Et matematisk vidunderbarn som kom inn i UC Berkeley i en alder av 16 og tok skolen to år senere, Freedman var 30 da han løste en versjon av et av de lengstlevende problemene i matematikk, Poincaré-formodning . Han utarbeidet det uten å skrive noe ned, og visualiserte forvrengningen av firedimensjonale former i hodet hans. Jeg hadde sett meg gjennom krangelen, minnes Freedman. Da han oversatte den indre visjonen til et 95-siders bevis, fikk den Fields-medaljen, den høyeste utmerkelsen i matematikk.
Det sementerte Freedmans posisjon som et ledende lys innen topologi, disiplinen som er opptatt av egenskaper til former som ikke endres når disse formene blir forvrengt. (En gammel vits sier at topologer ikke kan skille en kaffekopp fra en smultring – begge er overflater punktert av et enkelt hull.) Men han ble trukket inn i fysikk i 1988 etter at en kollega oppdaget en sammenheng mellom noe av matematikken som beskriver topologi av knuter og en teori som forklarer visse kvantefenomener. Det var en vakker ting, sier Freedman. Han så umiddelbart at denne forbindelsen kunne tillate en maskin styrt av den samme kvantefysikken å løse problemer for vanskelig for konvensjonelle datamaskiner. Uvitende om at konseptet med kvanteberegning allerede eksisterte, hadde han uavhengig gjenoppfunnet det.
Freedman fortsatte å jobbe med den ideen, og i 1997 ble han med i Microsofts forskningsgruppe for teoretisk matematikk. Like etter slo han seg sammen med en russisk teoretisk fysiker, Alexei Kitaev, som hadde bevist at en topologisk qubit dannet av den samme fysikken kunne være mye mer pålitelig enn qubits som andre grupper bygde. Freedman begynte etter hvert å føle at han var inne på noe som fortjente oppmerksomhet utover hans sjeldne verden av dyp matematikk og fysikk. I 2004 dukket han opp på Craig Mundies kontor og kunngjorde at han så en måte å bygge en qubit som var pålitelig nok til å skalere opp. Jeg endte opp med å lage en pitch, sier Freedman. Det så ut som om du ville begynne å bygge teknologien, så kunne du det.
Mundie kjøpte den. Selv om Microsoft ikke hadde prøvd å utvikle kvantedatamaskiner, visste han om deres bemerkelsesverdige potensial og den langsomme fremgangen som hadde blitt gjort mot å bygge dem. Jeg ble umiddelbart fascinert av tanken på at det kanskje var en helt annen tilnærming, sier han. En slik form for databehandling vil trolig vise seg å være grunnlaget for en transformasjon som ligner på hva klassisk databehandling har gjort for planeten de siste 60 årene. Han satte opp et forsøk på å skape den topologiske qubiten, med en litt nervøs Freedman ved roret. Aldri i mitt liv hadde jeg engang bygget en transistorradio, sier Freedman.
Fjern drøm
På noen måter ville en kvantedatamaskin ikke være så forskjellig fra en konvensjonell. Begge handler om biter av data representert i binær form. Og begge typer maskiner er bygd opp av grunnleggende enheter som representerer biter ved å bla mellom forskjellige tilstander som en bryter. I en konvensjonell datamaskin kan hver lille transistor på en brikke snus enten av for å betegne en 0 eller på for en en . Men på grunn av kvantefysikkens sære regler, som styrer oppførselen til materie og energi i ekstremt små skalaer, kan qubits utføre triks som gjør dem ekstremt kraftige. En qubit kan gå inn i en kvantetilstand kjent som superposisjon, som effektivt representerer 0 og en samtidig. Når de først er i en superposisjonstilstand, kan qubits bli koblet sammen, eller viklet sammen, på en måte som betyr at enhver operasjon som påvirker en umiddelbart endrer skjebnen til en annen. På grunn av superposisjon og sammenfiltring kan en enkelt operasjon i en kvantedatamaskin utføre deler av en beregning som vil ta mange, mange flere operasjoner for et tilsvarende antall vanlige biter. En kvantedatamaskin kan i hovedsak utforske et stort antall mulige beregningsveier parallelt. For noen typer problemer vokser en kvantedatamaskins fordel fremfor en konvensjonell eksponentielt med mengden data som skal knuses. Kraften deres er fortsatt en forbauselse for meg, sier Raymond Laflamme , administrerende direktør for Institute for Quantum Computing ved University of Waterloo, i Ontario. De endrer grunnlaget for informatikk og hva vi mener med hva som kan beregnes.
I løpet av det neste året eller så vil fysikklaboratorier støttet av Microsoft begynne å teste qubit-designet.
Men rene kvantetilstander er svært skjøre og kan bare observeres og kontrolleres under nøye utkonstruerte omstendigheter. For at en superposisjon skal være stabil, må qubiten være skjermet fra tilsynelatende triviell støy som tilfeldig støt fra subatomære partikler eller svake elektriske felt fra nærliggende elektronikk. De to beste strøm-qubit-teknologiene representerer biter i de magnetiske egenskapene til individuelle ladede atomer fanget i magnetiske felt eller som den lille strømmen inne i kretser av superledende metall. De kan bevare superposisjoner i ikke lenger enn brøkdeler av et sekund før de kollapser i en prosess kjent som dekoherens. Det største antallet qubits som har blitt operert sammen er bare syv.
Siden 2009 har Google testet en maskin markedsført av oppstarten D-Wave Systems som verdens første kommersielle kvantedatamaskin, og i 2013 kjøpte den en versjon av maskinen som har 512 qubits. Men disse qubitene er koblet til en krets for en bestemt algoritme, noe som begrenser utvalget av problemer de kan jobbe med. Hvis den lykkes, vil denne tilnærmingen skape kvanteberegningsekvivalenten til en tang – et nyttig verktøy som bare passer for enkelte oppgaver. Den konvensjonelle tilnærmingen som Microsoft følger, tilbyr en fullt programmerbar datamaskin – tilsvarende en full verktøykasse. Og dessuten har uavhengige forskere ikke vært i stand til å bekrefte at D-Waves maskin virkelig fungerer som en kvantedatamaskin. Google startet nylig sin egen maskinvarelab for å prøve å lage en versjon av teknologien som leverer.
Jakten på måter å bekjempe dekoherens og feilene den introduserer i beregninger har kommet til å dominere feltet for kvanteberegning. For at en qubit virkelig skal være skalerbar, vil den sannsynligvis trenge å dekohere ved et uhell bare rundt én av en million operasjoner, sier Chris Monroe , professor ved University of Maryland og medleder for a kvanteberegningsprosjekt finansiert av Department of Defense og Intelligence Advanced Research Projects Activity. I dag dekoherer de beste qubitene typisk tusenvis av ganger så ofte.
Microsofts Station Q kan ha en bedre tilnærming. Kvantestatene som lokket Freedman inn i fysikk - som oppstår når elektroner er fanget i et plan inne i visse materialer - bør gi stabiliteten som en qubit-bygger krever, fordi de er naturlig døve for mye av støyen som destabiliserer konvensjonelle qubits. Inne i disse materialene får elektroner merkelige egenskaper ved temperaturer nær absolutt null, og danner det som er kjent som elektronvæsker. De kollektive kvanteegenskapene til elektronvæskene kan brukes til å betegne litt. Elegansen til designet, sammen med bevilgninger av penger, utstyr og datatid, har lokket noen av verdens ledende fysikkforskere til å samarbeide med Microsoft. (Selskapet vil ikke si hvilken brøkdel av dets årlige FoU-utgifter på 11 milliarder dollar som går til prosjektet.)
Haken er at fysikken forblir uprøvd. For å bruke kvanteegenskapene til elektronvæsker som biter, må forskerne manipulere visse partikler inne i dem, kjent som ikke-abelske anyoner, slik at de går rundt hverandre. Og selv om fysikere forventer at det eksisterer ikke-abelske noen, har ingen endelig blitt oppdaget.
Majorana-partikler, den typen ikke-abelske noen som Station Q og dens samarbeidspartnere søker, er spesielt unnvikende. Først spådd av den tilbaketrukkede italienske fysikeren Ettore Majorana i 1937, ikke lenge før han på mystisk vis forsvant, har de fengslet fysikere i flere tiår fordi de har den unike egenskapen å være sine egne antipartikler, så hvis to noen gang møtes, utsletter de hverandre på et blunk av energi.
Ingen hadde rapportert troverdige bevis for at de eksisterte før i 2012, da Leo Kouwenhoven ved Delft University of Technology i Nederland, som hadde fått finansiering og veiledning fra Microsoft, annonserte at han hadde funnet dem inne i nanotråder laget av halvlederen indiumantimonid. Han hadde lokket den rette typen elektronvæske til eksistens ved å koble nanotråden til en klump av superledende elektrode i den ene enden og en vanlig i den andre. Det ga den sterkeste støtten til Microsofts design til nå. Funnet har gitt oss enorm tillit til at vi virkelig er inne på noe, sier Microsofts Lee. Kouwenhovens gruppe og andre laboratorier prøver nå å avgrense resultatene av eksperimentet og vise at partiklene kan manipuleres. For å fremskynde fremdriften og sette scenen for mulig masseproduksjon, har Microsoft begynt å samarbeide med industribedrifter for å sikre forsyninger av halvledernanotråder og den superledende elektronikken som vil være nødvendig for å kontrollere en topologisk qubit.
For alt det har Microsoft ennå ikke sin qubit. Det må finnes en måte å flytte Majorana-partikler rundt hverandre i operasjonen som trengs for å skrive tilsvarende 0 s og en s. Materialforskere ved Niels Bohr Institute i København fant nylig en måte å bygge nanotråder med sidegrener, som kan tillate en partikkel å dukke til siden mens en annen passerer. Charlie Marcus, en forsker der som har jobbet med Microsoft siden det første designet, forbereder seg nå på å bygge et fungerende system med de nye ledningene. Jeg vil si at det kommer til å holde oss opptatt det neste året, sier han.
Suksess ville validere Microsofts qubit-design og sette en stopper for nylige forslag om at Kouwenhoven kanskje ikke har oppdaget Majorana-partikkelen i 2012 tross alt. Men John Preskill, professor i teoretisk fysikk ved Caltech, sier at den topologiske qubiten ikke er noe mer enn en fin teori. Jeg er veldig glad i ideen, men etter noen år med seriøs innsats er det fortsatt ingen sikre bevis, sier han.
Bob Willetts kvanteberegningsforskning ved Bell Labs viser lovende.
Konkurransefysikk
Hos Bell Labs i New Jersey sier Bob Willett at han har sett bevisene. Han kikker over brillene på et matt svart krystallrektangel på størrelse med en fingertupp. Den har håndloddede ledninger rundt kantene og fine sikksakk av aluminium på overflaten. Og midt på brikken, i et område som er mindre enn en mikrometer på tvers, rapporterer Willett at han oppdager ikke-abelske noen. Hvis han har rett, er Willett lenger på vei enn noen andre som jobber med Microsoft. Og i sin serie med små, slitte laboratorier forbereder han seg nå på å bygge det som – hvis det fungerer – vil være verdens første topologiske qubit. Vi gjør overgangen fra vitenskap til teknologi nå, sier han. Hans innsats har historisk ekko. Nede i korridoren fra laboratoriene hans er en glassmonter med den første transistoren inni, laget på dette stedet i 1947.
Willetts enhet er en versjon av et design som Microsoft stort sett har gitt opp. Da selskapets prosjekt startet, hadde Freedman og hans samarbeidspartnere bestemt at det skulle være mulig å bygge en topologisk qubit ved å bruke krystaller av ultrarent galliumarsenid som fanger elektroner. Men i løpet av fire år med eksperimenter fant ikke fysikklaboratoriene støttet av Microsoft avgjørende bevis på ikke-abiske noen. Willett hadde jobbet med lignende fysikk i årevis, og etter å ha lest en artikkel fra Freedman om designet, bestemte han seg for å prøve selv. I en serie artikler publisert mellom 2009 og 2013, rapporterte han å finne de avgjørende partiklene i sine egne krystallbaserte enheter. Når en krystall avkjøles med flytende helium til mindre enn 1 Kelvin (−272,15 °C) og utsettes for et magnetfelt, dannes det en elektronvæske i midten. Willett bruker elektroder for å strømme partiklene rundt kanten; hvis de er ikke-abelske noen som går rundt sine kolleger i midten, bør de endre den topologiske tilstanden til elektronvæsken som helhet. Han har publisert resultater fra flere forskjellige eksperimenter der han så avslørende slingringer, som teoretikere hadde spådd, i strømmen til de flytende partiklene. Han har nå gått videre til å bygge et qubit-design. Det er ikke mye mer komplekst enn hans første eksperiment: bare to av de samme kretsene plassert rygg mot rygg på samme krystall, med ekstra elektroder som kobler sammen elektronvæsker og kan kode og lese ut kvantetilstander som representerer ekvivalenten av 0 s og en s.
Willett håper at enheten vil dempe skepsisen til resultatene hans, som ingen andre har vært i stand til å gjenskape. Microsofts samarbeidspartner Charlie Marcus sier Willett så signaler som vi ikke så. Willett påpeker at Marcus og andre har gjort enhetene sine for store og brukt krystaller med viktige forskjeller i egenskapene deres. Han sier at han nylig bekreftet det ved å teste noen enheter laget etter spesifikasjonene brukt av andre forskere. Etter å ha jobbet med materialene de jobber med, kan jeg se hvorfor de sluttet med det, for det er vondt, sier han.
En av krystallene som Willett sier han har oppdaget topologiske qubits på.
Bell Labs, nå eid av det franske telekommunikasjonsselskapet Alcatel-Lucent, er mindre og fattigere enn det var den gang da AT&T, uimotsagt som det amerikanske telefonmonopolet, lot mange forskere gjøre stort sett alt de ønsket. Noen av Willetts rom har utsikt over den støvete, arrede bakken som ble igjen da en hel fløy av laboratoriet ble revet i år. Men med færre mennesker rundt enn laboratoriene hadde for lenge siden, er det lettere å få tilgang til utstyret han trenger, sier han. Og Alcatel har begynt å investere mer i prosjektet sitt. Willett pleide å jobbe med bare tre andre fysikere, men nylig begynte han også å samarbeide med matematikere og optikkeksperter. Bell Labs-ledelsen har spurt om hva slags problemer som kan løses med et lite antall qubits. Det utvider seg til en relativt stor innsats, sier han.
Willett ser på seg selv som en akademisk kollega av Microsoft-forskerne snarere enn en bedriftskonkurrent, og han blir fortsatt invitert til Freedmans to ganger årlige symposier som bringer Microsoft-samarbeidspartnere og andre ledende fysikere til Santa Barbara. Men Microsoft-ledelsen har vært tydeligere på de siste møtene, sier Willett, og han har noen ganger følt at det å være fra et annet selskap gjorde ting vanskelig.
Det ville være mer enn bare vanskelig hvis Willett slo Microsoft for å bevise at ideen den har forfektet kan fungere. For Microsoft å åpne opp en praktisk vei til kvanteberegning ville være overraskende. For de visne Bell Labs, eid av et selskap som ikke en gang driver med databehandling, ville det være forbløffende.
Kvantekode
På Microsofts grønne campus i Redmond, Washington, sliter tusenvis av programvareingeniører for å fikse feil og legge til funksjoner i Windows og Microsoft Office. Turister poserer i firmamuseet for bilder med et utklipp i naturlig størrelse av en Bill Gates fra 1978 og hans første ansatte. I hovedforskningsbygget leder Krysta Svore et titalls personer som jobber med programvare for datamaskiner som kanskje aldri vil eksistere. Teamet finner ut hva den første generasjonen kvantedatamaskiner kan gjøre for oss.
Gruppen ble etablert fordi selv om kvantedatamaskiner ville være kraftige, kan de ikke løse alle problemer. Og bare en håndfull kvantealgoritmer er utviklet i nok detalj til å antyde at de kan være praktiske på ekte maskinvare. Kvantedatabehandling er muligens veldig forstyrrende, men vi må forstå hvor kraften er, sier Svore.
Vi tror at det er en sjanse til å gjøre noe som kan være grunnlaget for en helt ny økonomi.
Ingen kvantedatamaskin vil noen gang passe inn i lommen din, på grunn av måten qubits må superkjøles på (med mindre, selvfølgelig, noen bruker en kvantedatamaskin til å designe en bedre qubit). Snarere vil de bli brukt som datasentre eller superdatamaskiner for å drive tjenester over Internett, eller for å løse problemer som gjør at andre teknologier kan forbedres. En lovende idé er å bruke kvantedatamaskiner for superdrevne kjemi-simuleringer som kan akselerere fremgang på store problemer innen områder som helse eller energi. En kvantedatamaskin kunne simulere virkeligheten så presist at den kunne erstatte årevis med strevende laboratoriearbeid, sier Svore. I dag er omtrent en tredjedel av amerikansk superdatamaskintid dedikert til simuleringer for kjemi eller materialvitenskap, ifølge Department of Energy. Svores gruppe har utviklet en algoritme som vil la selv en førstegenerasjons kvantedatamaskin takle mye mer komplekse problemer, for eksempel å praktisk talt teste en katalysator for å fjerne karbondioksid fra atmosfæren, på bare timer eller minutter. Det er en potensiell morderapplikasjon av kvantedatamaskiner, sier hun.
Men det er mulig å se for seg utallige andre mordere applikasjoner. Svores gruppe har produsert noen av de første bevisene på at kvantedatamaskiner kan brukes til maskinlæring, en teknologi som blir stadig mer sentral for Microsoft og dets rivaler. Nyere fremskritt innen bilde- og talegjenkjenning har utløst en vanvidd av ny forskning innen kunstig intelligens. Men de er avhengige av klynger av tusenvis av datamaskiner som jobber sammen, og resultatene ligger fortsatt langt bak menneskelige evner. Kvantedatamaskiner kan overvinne teknologiens begrensninger.
Arbeid som dette hjelper til med å forklare hvordan det første selskapet som bygger en kvantedatamaskin kan få en fordel som er praktisk talt enestående i teknologihistorien. Vi tror at det er en sjanse til å gjøre noe som kan være grunnlaget for en helt ny økonomi, sier Microsofts Peter Lee. Som du forventer, sier han og alle de andre som jobber med kvantemaskinvare at de er optimistiske. Men med så mye å gjøre, føles premien like fjern som alltid. Det er som om qubit-teknologi er i en superposisjon mellom å forandre verden og dekohere til noe mer enn en serie obskure forskningsartikler. Det er den typen uoverkommelige som folk som jobber med kvanteteknologi må håndtere hver dag. Men med en så stor uttelling, hvem kan klandre dem for å ta en knekk på det?
Denne historien ble oppdatert 10. oktober for å slette en feilaktig referanse til en byste av Thomas Edison.