211service.com
Nøkkelen til kraftigere kvantedatamaskiner kan være å bygge dem som Legos
Aluminiumsmoduler fra Quantum Circuits. Med tillatelse fra Quantum Circuits
Besøk en hvilken som helst oppstarts- eller universitetslab der kvantedatamaskiner bygges, og det er som å gå inn i en tidssprang til 1960-tallet – storhetstiden til stormaskindatabehandling, da små hærer av teknikere betjente maskiner som kunne fylle hele rom.
All slags utstyr, fra supernøyaktige lasere til superkjølte kjøleskap, er nødvendig for å utnytte kvantemekanikkens eksotiske krefter for oppgaven med å behandle data. Kabler som forbinder forskjellige deler av utstyret danner flerfarget spaghetti som renner over gulv og går over tak. Fysikere og ingeniører myldrer rundt bredder av skjermer, og overvåker og justerer kontinuerlig ytelsen til datamaskinene.
Mainframes innledet informasjonsrevolusjonen, og håpet er at kvantedatamaskiner også vil vise seg å endre spill. Deres enorme prosessorkraft lover å overgå den til selv de mest kapable konvensjonelle superdatamaskinene, og potensielt levere fremskritt innen alt fra legemiddeloppdagelse til materialvitenskap og kunstig intelligens.
Den store utfordringen den gryende industrien står overfor er å lage maskiner som kan skaleres opp både pålitelig og relativt billig. Det er vanskelig å generere og administrere kvantebitene, eller qubits, som bærer informasjon i datamaskinene. Selv de minste vibrasjoner eller endringer i temperatur – fenomener kjent som støy i kvantesjargong – kan føre til at qubits mister sin skjøre kvantetilstand. Og når det skjer, sniker det seg feil inn i beregninger.
Den vanligste reaksjonen har vært å lage kvantedatamaskiner med så mange qubits som mulig på en enkelt brikke. Hvis noen qubits utløses feil, kan andre som har kopier av informasjonen bli benyttet som sikkerhetskopier av algoritmer utviklet for å oppdage og minimere feil. Strategien, som har blitt forkjempet av store selskaper som IBM og Google, så vel som av høyprofilerte startups som Rigetti Computing , har skapt komplekse maskiner som minner om de store stormaskinene i romstørrelse.
Problemet er at feilratene er ekstreme. Dagens største brikker har færre enn hundre qubits, men tusenvis eller til og med titusenvis kan være nødvendig for å produsere det samme resultatet som en enkelt feilfri qubit. Hver qubit trenger sin egen kontrollkabling, så jo flere som legges til, jo mer komplekst blir et system å administrere. Mer utstyr vil også være nødvendig for å overvåke og administrere raskt voksende qubit-antall. Det kan øke kompleksiteten og kostnadene til datamaskinene dramatisk, og begrense appellen deres.
Robert Schoelkopf, professor ved Yale, mener det er en bedre vei videre. I stedet for å prøve å stappe stadig flere qubits på en enkelt brikke, utvikler Quantum Circuits, en oppstart han var med å grunnlegge i 2017, hva som tilsvarer mini kvantemaskiner. Disse kan kobles sammen via spesialiserte grensesnitt, litt som veldig høyteknologiske legoklosser. Schoelkopf sier at denne tilnærmingen bidrar til å produsere lavere feilfrekvenser, så færre qubits – og derfor mindre støttende maskinvare – vil være nødvendig for å lage kraftige kvantemaskiner.
Robert Schoelkopf i laboratoriet på Quantum Circuits 'New Haven-kontor. Julie Bidwell
Skeptikere påpeker at i motsetning til rivaler som IBM, har Quantum Circuits ennå ikke offentlig avduket en fungerende datamaskin. Men hvis det kan levere en som lever opp til Schoelkopfs påstander, kan det bidra til å bringe kvantedatabehandling ut av laboratorier og inn i den kommersielle verden mye raskere.
Drivkraften til å lage langvarige qubits
Ideen om å bolte sammen mindre kvantebyggeblokker for å lage større datamaskiner har eksistert i årevis, men den har aldri blitt helt fanget. Det har ikke vært en god, feiltolerant maskin som er bygget ennå ved å bruke den modulære tilnærmingen, forklarer Jerry Chow, som leder det eksperimentelle kvantedatabehandlingsteamet hos IBM Research. Likevel, legger Chow til, hvis noen kan klare det vil det være Schoelkopf og kollegene hans.
Etter opplæring som ingeniør og fysiker, inkludert stints ved NASA og Caltech, begynte Schoelkopf på Yales fakultet i 1998 og begynte å jobbe med kvanteberegning. Han og kollegene hans var pionerer i bruken av superledende kretser på en brikke for å lage qubits. Ved å pumpe elektrisk strøm gjennom spesialiserte mikrobrikker som holdes inne i kjøleskap som er kaldere enn dype rom, er de i stand til å lokke partikler inn i kvantetilstandene som er nøkkelen til datamaskinens enorme kraft.
I motsetning til biter i vanlige datamaskiner, som er strømmer av elektriske eller optiske pulser som representerer enten en en eller a 0 , qubits er subatomære partikler som fotoner eller elektroner som kan være i en slags kombinasjon av begge en og 0 – et fenomen kjent som superposisjon. Qubits kan også bli viklet inn i hverandre, noe som betyr at en endring i ens tilstand umiddelbart kan endre andres tilstand selv når det ikke er noen fysisk forbindelse mellom dem.
Et vakuumsystem som brukes til å lage superledende kretser. Julie Bidwell
Det er mer bakgrunn om dette i vår kvantedataforklaring. Det viktigste å vite er imidlertid at dette lar qubits fungere som om de utfører mange beregninger samtidig som en vanlig datamaskin må utføre sekvensielt. Noe som betyr at å legge til flere qubits til en kvantemaskin øker prosesseringskapasiteten eksponentielt.
Schoelkopf har også vunnet hyllest for sitt arbeid med støyproblemet. Koherenstidene til qubits - det vil si hvor lenge de kan kjøre beregninger før støy forstyrrer deres delikate kvantetilstand - har blitt forbedret med en faktor på 10 omtrent hvert tredje år. (Forskere har kalt denne trenden Schoelkopfs lov i et nikk til klassisk databehandlings Moores lov, som sier at antall transistorer på en silisiumbrikke dobles omtrent hvert annet år.) Brendan Dickinson fra Canaan Partners, en av Quantum Circuits' investorer, sier Schoelkopf's imponerende merittliste innen superledende qubits er en av hovedårsakene til at det bestemte seg for å støtte virksomheten, som har samlet inn 18 millioner dollar så langt.
Ironisk nok er noen av studentene veiledet av Schoelkopf og hans medgrunnleggere fra Yale, Michel Devoret og Luigi Frunzio, nå i selskaper som IBM og Rigetti som konkurrerer med oppstarten deres. Schoelkopf er tydelig stolt over kvantediasporaen som har kommet ut av Yale-laboratoriet. Han fortalte meg at han for noen år siden hadde sett på alle organisasjonene rundt om i verden som jobbet med superledende qubits og funnet ut at mer enn halvparten av dem ble drevet av folk som hadde tilbrakt tid der. Men han tror også en slags gruppetenkning har satt inn.
Fordelene med modulære maskiner
De fleste forskere som jobber med superledende maskiner fokuserer på å lage så mange qubits som mulig på en enkelt brikke. Quantum Circuits 'tilnærming er veldig forskjellig fra den standarden. Kjernen i systemet er en liten aluminiumsmodul som inneholder superledende kretser som er laget på silisium- eller safirbrikker. Hver modul inneholder det som utgjør fem til 10 qubits.
For å koble disse modulene sammen til større datamaskiner, bruker selskapet det som høres ut som noe ut av Star Trek – kvanteteleportering. Det er en metode som er utviklet for å sende data på tvers av ting som telekommunikasjonsnettverk. Den grunnleggende ideen innebærer å vikle et mikrobølgefoton i en modul med et foton i en annen og deretter bruke koblingen mellom dem som en bro for overføring av data. (Vi har også en kvanteteleporteringsforklaring.) Quantum Circuits har brukt denne tilnærmingen til å teleportere en kvanteversjon av en logisk port mellom modulene.
Schoelkopf sier at det er flere grunner til at nettverksmoduler sammen er bedre enn å stappe så mange qubits som mulig på en enkelt brikke. Den mindre skalaen til hver enhet gjør det lettere å kontrollere systemet og bruke feilrettingsteknikker. Dessuten, hvis noen qubits går galt i en individuell modul, kan enheten fjernes eller isoleres uten å påvirke andre som er koblet til den; hvis de alle er på en enkelt brikke, kan det hende at hele greia må kasseres.
En wafer som brukes til å lage qubits i Quantum Circuits sine datamaskiner. Julie Bidwell
Når vi ser fremover, vil Quantum Circuits' modulære maskiner fortsatt trenge noe av det samme utstyret som rivaliserende, inkludert superkjølekjøleskap og overvåkingsutstyr. Men ettersom de skaleres, bør de ikke kreve i nærheten av samme type kontrollkabling og annet utstyr som er nødvendig for å mestre individuelle qubits. Så selv om rivaliserende enheter kan se stadig mer ut som de massive tidlige stormaskinene, bør oppstartens maskiner forbli beslektet med de slanke maskinene som fremstod som konvensjonell databehandling avansert inn på 1970-tallet og utover.
Da jeg hørte Schoelkopf snakke gjennom teknologien, snek det seg et bilde inn i hodet mitt: barna mine lekte med legoklosser i plast da de var små, og boltet dem sammen for å bygge slott og fort.
Da jeg foreslo sammenligningen, var Schoelkopf først litt på vakt, men ble deretter ganske entusiastisk. Generelt er hver komplekse enhet jeg kjenner, sa han, basert på å ha tilsvarende legoklosser, og du definerer grensesnittene og hvordan de passer sammen …[Lego-klosser] er veldig billige. De kan masseproduseres. Og de kobles alltid sammen på riktig måte.
Schoelkopfs kvantemoduler har en annen viktig fordel. Hver inneholder et tredimensjonalt hulrom som fanger et antall mikrobølgefotoner. Disse danner det som er kjent som qudits, og de er som qubits, bortsett fra at de lagrer mer informasjon. Mens en qubit representerer en kombinasjon av en og 0 , en qudit kan eksistere i mer enn to tilstander – si, 0 , en , og to samtidig. Kvantedatamaskiner med qudits kan knaske gjennom enda mer informasjon samtidig.
Forskere har eksperimentert med qudits i noen tid, men de er vanskelige å generere og kontrollere. Schoelkopf sier at Quantum Circuits har funnet måter å lage høykvalitets kretser konsekvent på og redusere feil betraktelig. (Selskapet hevder det har oppnådd koherenstider ved å bruke hulrommene som er ti til 100 ganger lengre enn for superledende qubits, noe som gjør det lettere å korrigere feil.) Noen qubits er fortsatt nødvendig for å utføre operasjoner på quditene, og for å trekke ut informasjon fra dem , men tilnærmingen hans krever færre av disse qubitene. Det betyr igjen at mindre maskinvare er nødvendig totalt sett.
Kvantedatabehandling er et vidt åpent felt
Interiøret i et Quantum Circuits fortynningskjøleskap. Med tillatelse fra Quantum Circuits
Quantum Circuits’ tilnærming høres overbevisende ut, men Schoelkopf nekter å si nøyaktig når selskapet vil avduke en fullt fungerende datamaskin. Han vil heller ikke avsløre hvor mange qubits og qudits teamet hans har klart å få til å jobbe sammen totalt.
Jo lengre tid det tar, jo mer risikerer oppstarten hans å bli overskygget av sine rivaler. IBM og Rigetti gir allerede selskaper og forskere tilgang til sine kvantedatamaskiner via dataskyen, og det ryktes at Google er i nærheten av å være den første som oppnår kvanteoverlegenhet – eller punktet der en kvantedatamaskin kan utføre en oppgave utenfor rekkevidde av selv den kraftigste konvensjonelle superdatamaskinen.
Schoelkopf sier at organisasjoner som ønsker å prøve ut algoritmer på Quantum Circuits sitt system vil kunne gjøre det veldig snart, og at det på et tidspunkt vil koble maskiner til skyen slik IBM og Rigetti har gjort. Oppstarten er ikke bare å bygge datamaskiner; det jobber også med programvare som vil hjelpe brukere å få mest mulig ut av den underliggende maskinvaren.
Dessuten er det tidlige dager. Kvantealgoritmene som kjøres på skytjenester som IBMs i dag er fortsatt ganske grunnleggende, bemerker Schoelkopf. Feltet er vidt åpent for kvantedatamaskiner og tilhørende programvare som virkelig kan utgjøre en forskjell på et bredt spekter av områder, fra turbolading av kunstig intelligens til modellering av molekyler for kjemikere.
Mange spørsmål gjenstår. Vil Quantum Circuits kunne fortsette å produsere robuste qubits og qudits når de bygger mye større maskiner? Kan den få kvanteteleporteringsmetoden til å fungere pålitelig ettersom den kobler flere moduler sammen? Og vil systemene, når de rulles ut for salg, være mer kostnadseffektive å drifte enn rivalenes? Betydelige fysikk- og ingeniørutfordringer venter fortsatt. Men hvis Schoelkopf og kollegene hans kan overvinne dem, kan de bevise at nøkkelen til å bli veldig store innen kvantedatabehandling er å tenke smått.