Seriøse kvantedatamaskiner er endelig her. Hva skal vi med dem?

Jeremy Liebman

Inne i et lite laboratorium i frodig landskap omtrent 50 mil nord for New York City, dingler et forseggjort virvar av rør og elektronikk fra taket. Dette rotet av utstyr er en datamaskin. Ikke hvilken som helst datamaskin, men en på randen av å passere det som kanskje kan gå ned som en av de viktigste milepælene i feltets historie.

Kvantedatamaskiner lover å kjøre beregninger langt utenfor rekkevidden til enhver konvensjonell superdatamaskin. De kan revolusjonere oppdagelsen av nye materialer ved å gjøre det mulig å simulere materiens oppførsel ned til atomnivå. Eller de kan oppgradere kryptografi og sikkerhet ved å knekke ellers uovervinnelige koder. Det er til og med håp om at de vil overlade kunstig intelligens ved å knaske gjennom data mer effektivt.

Denne historien var en del av vår utgave for mars 2018

• Se resten av saken
• Abonnere

Men først nå, etter tiår med gradvis fremgang, er forskerne endelig i nærheten av å bygge kvantedatamaskiner kraftige nok til å gjøre ting som konvensjonelle datamaskiner ikke kan. Det er et landemerke som er litt teatralsk kalt kvanteoverlegenhet. Google har ledet kampen mot denne milepælen, mens Intel og Microsoft også har betydelig kvanteinnsats. Og så er det godt finansierte startups inkludert Rigetti Computing, IonQ og Quantum Circuits.

Naturen er kvante, for helvete! Så hvis vi vil simulere det, trenger vi en kvantedatamaskin.

Ingen andre konkurrenter kan matche IBMs stamtavle på dette området. Fra og med 50 år siden produserte selskapet fremskritt innen materialvitenskap som la grunnlaget for datarevolusjonen. Derfor befant jeg meg i oktober i fjor ved IBMs Thomas J. Watson Research Center for å prøve å svare på disse spørsmålene: Hva, om noe, vil en kvantedatamaskin være god for? Og kan en praktisk, pålitelig en i det hele tatt bygges?

Hvorfor vi tror vi trenger en kvantedatamaskin

Forskningssenteret, som ligger i Yorktown Heights, ser litt ut som en flygende tallerken slik det ble forestilt i 1961. Det ble designet av den nyfuturistiske arkitekten Eero Saarinen og bygget under IBMs storhetstid som produsent av store forretningsmaskiner for stormaskin. IBM var verdens største dataselskap, og i løpet av et tiår etter byggingen av forskningssenteret hadde det blitt verdens femte største selskap av noe slag, like bak Ford og General Electric.

Mens gangene i bygget vender ut mot landskapet, er designet slik at ingen av kontorene inne har vinduer. Det var i et av disse lukkede rommene jeg møtte Charles Bennett. Nå i 70-årene har han store hvite kinnskjegg, har på seg svarte sokker med sandaler, og har til og med en lommebeskytter med penner i. Omgitt av gamle dataskjermer, kjemimodeller og, merkelig nok, en liten discokule, husket han fødselen til kvantedatabehandling som om det var i går.

Charles Bennett fra IBM Research er en av grunnleggerne av kvanteinformasjonsteorien. Arbeidet hans hos IBM bidro til å skape et teoretisk grunnlag for kvanteberegning. bartek sadowski

Da Bennett begynte i IBM i 1972, var kvantefysikken allerede et halvt århundre gammel, men databehandling var fortsatt avhengig av klassisk fysikk og den matematiske teorien om informasjon som Claude Shannon hadde utviklet ved MIT på 1950-tallet. Det var Shannon som definerte mengden informasjon i form av antall biter (et begrep han populariserte, men ikke myntet) som kreves for å lagre den. De bitene, den 0 s og en s av binær kode, er grunnlaget for all konvensjonell databehandling.

Et år etter ankomst til Yorktown Heights, hjalp Bennett med å legge grunnlaget for en kvanteinformasjonsteori som ville utfordre alt dette. Den er avhengig av å utnytte den særegne oppførselen til objekter på atomskala. Ved den størrelsen kan en partikkel eksistere overliggende i mange tilstander (f.eks. mange forskjellige posisjoner) samtidig. To partikler kan også vise sammenfiltring, slik at endring av tilstanden til den ene kan umiddelbart påvirke den andre.

Bennett og andre innså at noen typer beregninger som er eksponentielt tidkrevende, eller til og med umulige, kunne utføres effektivt ved hjelp av kvantefenomener. En kvantedatamaskin vil lagre informasjon i kvantebiter, eller kvantebiter. Qubits kan eksistere i superposisjoner av en og 0 , og sammenfiltring og et triks kalt interferens kan brukes til å finne løsningen på en beregning over et eksponentielt stort antall tilstander. Det er irriterende vanskelig å sammenligne kvantedatamaskiner og klassiske datamaskiner, men grovt sett vil en kvantedatamaskin med bare noen få hundre qubits kunne utføre flere beregninger samtidig enn det er atomer i det kjente universet.

Sommeren 1981 arrangerte IBM og MIT en landemerkebegivenhet kalt First Conference on the Physics of Computation. Det fant sted på Endicott House, et herskapshus i fransk stil ikke langt fra MIT-campus.

På et bilde som Bennett tok under konferansen, kan flere av de mest innflytelsesrike figurene fra databehandlings- og kvantefysikkens historie sees på plenen, inkludert Konrad Zuse, som utviklet den første programmerbare datamaskinen, og Richard Feynman, en viktig bidragsyter til kvanteteori. Feynman holdt konferansens hovedtale, der han tok opp ideen om databehandling ved hjelp av kvanteeffekter. Det største løftet kvanteinformasjonsteorien fikk var fra Feynman, fortalte Bennett meg. Han sa: 'Naturen er kvante, for helvete! Så hvis vi vil simulere det, trenger vi en kvantedatamaskin.

IBMs kvantedatamaskin – en av de mest lovende som finnes – er plassert rett nede i gangen fra Bennetts kontor. Maskinen er designet for å lage og manipulere det essensielle elementet i en kvantedatamaskin: qubitene som lagrer informasjon.

Dette laboratoriet hos IBM huser kvantemaskiner koblet til skyen. jeremy liebman

Gapet mellom drømmen og virkeligheten

IBM-maskinen utnytter kvantefenomener som oppstår i superledende materialer. For eksempel vil noen ganger strøm flyte med klokken og mot klokken på samme tid. IBMs datamaskin bruker superledende kretser der to distinkte elektromagnetiske energitilstander utgjør en qubit.

Den superledende tilnærmingen har viktige fordeler. Maskinvaren kan lages ved hjelp av veletablerte produksjonsmetoder, og en konvensjonell datamaskin kan brukes til å kontrollere systemet. Qubitene i en superledende krets er også lettere å manipulere og mindre delikate enn individuelle fotoner eller ioner.

Inne i IBMs kvantelaboratorium jobber ingeniører med en versjon av datamaskinen med 50 qubits. Du kan kjøre en simulering av en enkel kvantedatamaskin på en vanlig datamaskin, men ved rundt 50 qubits blir det nesten umulig. Det betyr at IBM teoretisk sett nærmer seg punktet der en kvantedatamaskin kan løse problemer som en klassisk datamaskin ikke kan: med andre ord, kvanteoverlegenhet.

Men som IBMs forskere vil fortelle deg, er kvanteoverlegenhet et unnvikende konsept. Du trenger alle 50 qubits for å fungere perfekt, når kvantedatamaskiner i virkeligheten er besatt av feil som må korrigeres for. Det er også djevelsk vanskelig å opprettholde qubits over lengre tid; de har en tendens til å bryte sammen, eller miste sin delikate kvantenatur, omtrent som en røykring bryter opp ved den minste luftstrøm. Og jo flere qubits, jo vanskeligere blir begge utfordringene.

Hvis du hadde 50 eller 100 qubits og de virkelig fungerte bra nok, og var fullstendig feilkorrigert - du kunne gjøre ufattelige beregninger som ikke kan replikeres på noen klassisk maskin, nå eller noen gang, sier Robert Schoelkopf, en Yale-professor og grunnlegger av et selskap som heter Quantum Circuits. Baksiden til kvanteberegning er at det er eksponentielle måter det kan gå galt på.

Brikkene inne i IBMs kvantedatamaskin (nederst) avkjøles til 15 millikelvin. jeremy liebman

En annen grunn til forsiktighet er at det ikke er åpenbart hvor nyttig selv en perfekt fungerende kvantedatamaskin ville være. Det fremskynder ikke bare enhver oppgave du kaster på den; faktisk, for mange beregninger, ville det faktisk være tregere enn klassiske maskiner. Bare en håndfull algoritmer har så langt blitt utviklet der en kvantedatamaskin helt klart vil ha en fordel. Og selv for dem kan den kanten være kortvarig. Den mest kjente kvantealgoritmen, utviklet av Peter Shor ved MIT, er for å finne hovedfaktorene til et heltall. Mange vanlige kryptografiske skjemaer er avhengige av det faktum at dette er vanskelig for en konvensjonell datamaskin å gjøre. Men kryptografi kan tilpasse seg, og skape nye typer koder som ikke er avhengige av faktorisering.

Det som driver hypen er erkjennelsen av at kvantedatabehandling faktisk er ekte. Det er ikke lenger en fysikers drøm – det er en ingeniørs mareritt.

Dette er grunnen til at IBMs egne forskere, selv når de nærmer seg milepælen på 50 qubit, er opptatt av å fjerne hypen rundt det. Ved et bord i gangen som vender ut mot den frodige plenen utenfor, møtte jeg Jay Gambetta, en høy, lettvint australier som forsker på kvantealgoritmer og potensielle bruksområder for IBMs maskinvare. Vi er på dette unike stadiet, sa han og valgte ordene med omhu. Vi har denne enheten som er mer komplisert enn du kan simulere på en klassisk datamaskin, men den er ennå ikke kontrollerbar til den presisjonen du kan gjøre algoritmene du vet hvordan du gjør.

Det som gir IBM-erne håp er at selv en ufullkommen kvantedatamaskin fortsatt kan være nyttig.

Relatert historie

Relatert historie

Gambetta og andre forskere har nullstilt en applikasjon som Feynman så for seg tilbake i 1981. Kjemiske reaksjoner og materialenes egenskaper bestemmes av interaksjonene mellom atomer og molekyler. Disse interaksjonene er styrt av kvantefenomener. En kvantedatamaskin kan – i det minste i teorien – modellere dem på en måte en konvensjonell ikke kan.

I fjor brukte Gambetta og kolleger ved IBM en syv-qubit-maskin for å simulere den nøyaktige strukturen til berylliumhydrid. Med bare tre atomer er det det mest komplekse molekylet som noen gang er modellert med et kvantesystem. Til syvende og sist kan forskere bruke kvantedatamaskiner til å designe mer effektive solceller, mer effektive medisiner eller katalysatorer som gjør sollys til rent drivstoff.

De målene er langt unna. Men, sier Gambetta, kan det være mulig å få verdifulle resultater fra en feilutsatt kvantemaskin sammen med en klassisk datamaskin.

Fra en fysikers drøm til en ingeniørs mareritt

Det som driver hypen er erkjennelsen av at kvantedatabehandling faktisk er ekte, sier Isaac Chuang, en slank, myk MIT-professor. Det er ikke lenger en fysikers drøm – det er en ingeniørs mareritt.

Chuang ledet utviklingen av noen av de tidligste kvantedatamaskinene, og jobbet hos IBM i Almaden, California, på slutten av 1990-tallet og begynnelsen av 2000-tallet. Selv om han ikke lenger jobber med dem, tror han vi er i begynnelsen av noe veldig stort - at kvantedatabehandling til slutt vil spille en rolle i kunstig intelligens.

Men han mistenker også at revolusjonen egentlig ikke vil begynne før en ny generasjon studenter og hackere får leke med praktiske maskiner. Kvantedatamaskiner krever ikke bare forskjellige programmeringsspråk, men en fundamentalt annerledes måte å tenke på hva programmering er. Som Gambetta sier det: Vi vet egentlig ikke hva som tilsvarer «Hallo, verden» på en kvantedatamaskin.

Vi begynner å finne ut av det. I 2016 koblet IBM en liten kvantedatamaskin til skyen. Ved å bruke et programmeringsverktøy kalt QISKit kan du kjøre enkle programmer på det; tusenvis av mennesker, fra akademiske forskere til skolebarn, har bygget QISKit-programmer som kjører grunnleggende kvantealgoritmer. Nå legger også Google og andre selskaper ut sine begynnende kvantedatamaskiner på nettet. Du kan ikke gjøre mye med dem, men de gir i det minste folk utenfor de ledende laboratoriene en smak av hva som kan komme.

Startup-miljøet blir også begeistret. En kort stund etter å ha sett IBMs kvantedatamaskin, dro jeg til University of Torontos handelshøyskole for å delta i en pitch-konkurranse for kvantestartups. Team av gründere reiste seg nervøst og presenterte ideene sine for en gruppe professorer og investorer. Ett selskap håpet å bruke kvantedatamaskiner til å modellere finansmarkedene. En annen planla å få dem til å designe nye proteiner. Nok en ønsket å bygge mer avanserte AI-systemer. Det som ikke ble anerkjent i rommet var at hvert team foreslo en virksomhet bygget på en teknologi så revolusjonerende at den knapt eksisterer. Få virket skremt av det faktum.

Denne entusiasmen kan surne hvis de første kvantedatamaskinene er trege med å finne en praktisk bruk. Den beste gjetningen fra de som virkelig kjenner til vanskelighetene – folk som Bennett og Chuang – er at de første nyttige maskinene fortsatt er flere år unna. Og det er forutsatt at problemet med å administrere og manipulere en stor samling av qubits til slutt ikke vil vise seg uløselig.

Likevel har ekspertene et håp. Da jeg spurte ham hvordan verden kan se ut når min to år gamle sønn blir stor, svarte Chuang, som lærte seg å bruke datamaskiner ved å leke med mikrobrikker, med et glis. Kanskje barnet ditt vil ha et sett for å bygge en kvantedatamaskin, sa han.

gjemme seg