Åker D-Wave

Datorer bearbetar information genom att dela upp den i minsta möjliga bitar, så kallade bitar. En bit representerar skillnaden mellan två möjligheter: Sant och Falskt, Ja och Nej, eller, som de är konventionellt representerade, 1 och 0.

Cool dator: En enhet som kallas utspädningskylskåp (visas ovan) används för att initiera D Waves kvantdator och föra den till sitt marktillstånd genom att kyla den till nära absolut noll.

Slutpunkten för Moores lag (som säger att datorer blir snabbare med en faktor två varje och ett halvt år eller så) är en dator så kraftfull att den använder enskilda atomer för att lagra informationsbitar: en atom, en bit. Om vi ​​kunde arbeta på subatomära skalor och lagra bitar på elektroner eller kvarkar, skulle vi kunna gå längre. Men låt oss hålla fast vid det vi känna till vi kan göra.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2008

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Om nuvarande miniatyriseringshastigheter kvarstår kommer din dator att lagra en bit på en atom någon gång runt 2050. Men det är naturligt att fråga sig om vi faktiskt kan uppnå en bit-till-atom-överensstämmelse. Anmärkningsvärt nog finns prototypdatorer som lagrar bitar på enskilda atomer redan i laboratoriet. Dessa datorer kallas kvantdatorer, eftersom de lagrar och bearbetar information i skalor där kvantmekanikens lagar råder.

Kvantmekaniken är den gren av fysiken som styr vad som händer i mycket små skalor. Dess principer är kända konstiga, så det är naturligt att kvantdatorer också ska vara udda. En konventionell elektronisk dator, i vilken varje bit registrerar antingen 0 eller 1, är förslavad av binär logik; men en kvantbit, eller qubit, kan registrera 0 och 1 samtidigt, ett fenomen som kallas superposition. Vad betyder det för en kvantbit att samtidigt registrera 0 och 1? Det korrekta svaret är att ingen vet säkert. Kvantmekanikens kontraintuitiva natur hindrar våra sinnen från att förstå hur kvantbitar beter sig. Icke desto mindre, eftersom kvantmekanikens lagar är exakt formulerade, kan vi förutsäga vad kvantdatorer kommer att göra.

Och det de gör är anmärkningsvärt. Eftersom en qubit samtidigt kan representera två olika värden, kan två qubits samtidigt representera fyra (00, 01, 10 och 11, i binär notation); fyra qubits kan representera 16 värden; åtta qubits 256 värden; och så vidare. Även en relativt liten kvantdator, en som hade några tiotusentals qubits, kunde överväga så många olika värden på en gång att den skulle kunna bryta alla kända koder som vanligtvis används för säker internetkommunikation. Kvantdatorer kan också användas för snabbare databassökningar eller för att ta itu med svåra problem som klassiska datorer inte kunde lösa med hela tiden i universum. Jag och mina kollegor på MIT har byggt enkla kvantdatorer och kört kvantalgoritmer sedan 1996, liksom andra forskare runt om i världen. Kvantdatorer fungerar som utlovat. Om de kan skalas upp till tusentals eller tiotusentals qubits från deras nuvarande storlek på ett dussin eller så, se upp!

Med tanke på deras makt att avlyssna och störa hemlig kommunikation är det inte förvånande att kvantdatorer har uppmärksamhet från olika amerikanska myndigheter. National Security Agency, som stöder forskning inom kvantberäkning, förklarar öppet att med tanke på dess intresse av att hålla amerikanska myndigheters kommunikation säker, är det olustigt att se kvantdatorer byggas. Å andra sidan, om de kan byggas, så vill den ha den första.

Kvantberäkningar har också väckt kommersiellt intresse. Med nuvarande framsteg är stora, kodbrytande kvantdatorer minst ett decennium bort, så den privata sektorn fokuserar på två typer av kvantberäkningar som är enklare. Den första icke-triviala typen av kvantberäkning föreslogs av Nobelpristagaren Richard Feynman 1981. Feynman studerade hur kvantprocesser i högenergifysik kunde simuleras. Han noterade att klassiska datorer var dåliga på jobbet, av samma anledning som människor tycker att kvantmekaniken är kontraintuitiv: det finns inget enkelt sätt för någon av dem att representera en bit som registrerar 0 och 1 samtidigt. Feynman föreslog att om datorn var kvantmekanisk skulle den kanske ha lättare att hantera kvantprocesser. 1996 visade jag att Feynman hade rätt och skapade algoritmer som skulle göra det möjligt för en kvantdator att simulera fasta tillstånd, kemiska och högenergisystem. En sådan simulator skulle bara kräva ett hundratal qubits eller så för att kunna överträffa alla konventionella superdatorer.

En andra typ av kvantberäkning, känd som adiabatisk kvantberäkning, är inte bara enklare än kodbrytning utan även mycket kraftfullare. Adiabatisk kvantberäkning är ett särskilt fysiskt sätt att försöka lösa svåra problem.

Liksom alla fysiska system skulle elektroner hellre bo i lägre energitillstånd än högre energitillstånd, särskilt vid låga temperaturer. Energin i ett fysiskt system som en elektron beror på tillstånden hos dess grannar. En elektron kan säga till sina snurrande grannar: För en lägre energi, snurra medurs. En annan elektron kan säga: För en lägre energi, snurra moturs. Det lägsta energitillståndet för de snurrande elektronerna som en gemenskap är det som minimerar det totala antalet konflikter mellan angränsande snurr. För att en grupp elektroner ska hitta sitt gemensamma lägsta energitillstånd, eller grundtillstånd, måste de hitta sätt att komma överens om hur de ska anpassa sina snurr. På samma sätt som ett komplext beräkningsproblem kan delas upp i vändbitar, kan det ställas i termer av att hitta grundtillståndet för ett lämpligt fysiskt system.

Adiabatisk kvantberäkning försöker representera problem som störningen av ett kvantsystem, så att svaret representeras av systemets antagande om ett nytt grundtillstånd. Utvecklad av Eddie Farhi och Jeffrey Goldstone vid MIT och Sam Gutmann vid Northeastern University, fungerar den genom att initiera kvantsystemet till ett enkelt grundtillstånd (alla snurrar roterar medurs, till exempel) och sedan gradvis, eller adiabatiskt, aktivera interaktionerna som kodar problemet. Om denna påslagningsprocess är tillräckligt långsam, kommer systemet gradvis att flyta från sitt enkla initiala tillstånd till det komplexa slutliga tillståndet.

Den mest intressanta aspekten av adiabatisk kvantberäkning är att ingen vet säkert om det fungerar i praktiken. Det kan vara så att för alla meningsfulla problem skulle systemet behöva sippra så långsamt att det skulle ta universums ålder för att ge ett svar. Omvänt kan det vara så att även det svåraste problemet kommer att ge efter för en adiabatisk kvantdator. Trots den samlade uppmärksamheten från en mängd fysiker och matematiker är frågan om adiabatisk kvantberäkning fungerar fortfarande öppen. De flesta experter misstänker att det inte kan lösa de allra svåraste beräkningsproblemen. Men misstanke är inget bevis.

När teoretikerna inte kan komma överens går experimentalisterna framåt. Eftersom hela poängen med adiabatisk kvantberäkning är att gå långsamt snarare än snabbt, är adiabatiska kvantdatorer i princip betydligt lättare att bygga än generella kodbrytande kvantdatorer. När jag insåg denna nyckelpunkt, skapade min doktorand Bill Kaminsky och jag 2002 en design för en adiabatisk kvantdator baserad på supraledande teknologi. Förra året meddelade D-Wave Systems, en startup för kvantdatorer i Burnaby, British Columbia, att de hade konstruerat en adiabatisk kvantdator baserad på vår design. Vid det laget blev det intressant.

D-Wave grundades för lite mindre än ett decennium sedan, med det uttryckliga syftet att bygga en kommersiell kvantdator. Efter att ha lekt med idén att bygga en kvantdator för att ta hänsyn till stora antal, bestämde sig dess forskare förnuftigt med de mer enkla och fortfarande potentiellt lönsamma uppgifterna med kvantsimulering och adiabatisk kvantberäkning. I februari 2007, på Silicon Valleys Computer History Museum, visade företaget en 16-qubit-enhet som det hävdade kunde lösa ganska komplicerade optimeringsproblem. Det kan till och med göra Sudoku-pussel!

D-Wave har samlat in cirka 60 miljoner dollar i finansiering från riskkapitalister som Draper Fisher Jurvetson. Som ett privat företag är det i första hand ansvarigt gentemot sina investerare snarare än gentemot vetenskapssamhället. Så det var ingen överraskning att när D-Wave tillkännagav sin framgång med att bygga en adiabatisk kvantdator, fokuserade D-Wave på kommersiella tillämpningar snarare än vetenskapliga detaljer. Medan riskkapitalister var imponerade av tillkännagivandet och gav företaget ytterligare en finansieringsomgång, var forskarna mindre exalterade. Pressmeddelandet gav inga enhetsspecifikationer som skulle göra det möjligt att bedöma den vetenskapliga riktigheten av dess påståenden. Det verkade möjligt att datorn helt enkelt hittade lösningar genom att kylas ner till sitt marktillstånd, en ganska tråkig och inte så kvantmekanisk process, snarare än att utföra den mer subtila adiabatiska proceduren som beskrivs ovan. När D-Wave försummade att tillhandahålla några konkreta bevis för att enheten faktiskt utförde en kvantberäkning, antog till och med de mest välgörande vetenskapliga observatörerna att dess forskare inte visste om det var det eller inte. (Se Desultory D-Wave ) Mindre välgörande observatörer yttrade ord som jag inte kan rapportera i den här publikationen. För min del var jag i konflikt. Jag skulle verkligen vilja veta om adiabatisk kvantberäkning fungerar. Även om detta tillvägagångssätt inte kan lösa de allra svåraste problemen, om D-Waves system kunde utföra en väldefinierad demonstration av adiabatisk kvantberäkning i några enkla fall, skulle det vara en validering av Kaminskys och min design. Som saken stod, verkade dock D-Wave smutsa ner kvantiteten bra för pengar.

I höstas blev vattnet klarare. D‑Waves chefsteoretiker, Mohammad Amin, och dess chefsexperimentist, Andrew Berkley, besökte kvantberäkningsgemenskapen vid MIT. De diskuterade de vetenskapliga frågorna uppriktigt. Nej, erkände de, de kunde inte bevisa att det de gjorde var sann adiabatisk kvantberäkning – men det såg ut som om det förmodligen var det. Hur kunde de ge ett avgörande svar på frågan?

Pionjärerna inom supraledande kvantberäkning hade kunnat demonstrera kvantnaturen hos sina enheter genom att zappa dem med snabba mikrovågspulser och titta på deras svar. Men dessa enheter var inte adiabatiska; de fungerade med hastigheter jämförbara med en konventionell dators. D-Wave-enheten är däremot avsiktligt långsam: därför är ingen zappning möjlig. Som ett resultat finns det ett begränsat antal experiment som kan indikera om enheten verkligen gör kvantberäkningar. En är dock att variera den långsamhet med vilken anordningen sipprar från sitt initiala tillstånd till sitt slutliga tillstånd. Halvvägs genom läckningsprocessen kommer datorn till en punkt där den måste börja göra de svåra val som leder till problemets lösning. Här är datorn i ett konstigt kvanttillstånd, där varje bit registrerar 0 och 1 samtidigt. Jag uppmanade D-Wave-forskarna att undersöka denna kritiska punkt och leta efter de kontrollanta tecknen.

Mer nyligen talade jag med Herb Martin, VD för D-Wave, och Geordie Rose, företagets tekniska chef och medgrundare, och betonade behovet av att de ska fortsätta dessa experiment om de verkligen är intresserade av att förklara hur deras enheter fungerar. Ett experiment som jag rekommenderade Rose är ett specifikt protokoll för att skapa och verifiera närvaron av ett så kallat Schrödingers-cat-tillstånd, en specifik instans av tillståndet där alla qubits registrerar både 0 och 1 samtidigt. (Namnet kommer från ett tankeexperiment som föreslagits av en av kvantmekanikens grundare, Erwin Schrödinger, som föreställde sig en kvantkatt som kunde vara både död och levande på samma gång.) Både Martin och Rose verkar entusiastiska: de är väl medvetna om att om de inte kan bevisa att deras enhet verkligen gör något kvantmekaniskt, så kommer deras namn inom det vetenskapliga samfundet att förbli lera.

I november förra året demonstrerade D-Wave vad den hävdade var en 28-qubit adiabatisk kvantdator. Nu försöker företagets forskare demonstrera den i grunden kvantmekaniska karaktären hos deras enhet. Det finns en stark motivation för att göra vetenskapen och göra rätt. Teknik är vetenskap så väletablerad att även ingenjörer som jag kan göra det. Om du inte kan förstå vetenskapen om en 16-qubit kvantdator rätt, då är dina chanser att bygga 512-qubit och 1 024-qubit-enheter (D-Waves nästa planerade steg) noll. Å andra sidan, om D-Wave kan bekräfta att dess nuvarande system går in i det tillstånd där alla dess qubits är 0 och 1 samtidigt, så har den en bra chans att bygga kvantenheter som är mer komplexa.

Och en 16-qubit supraledande Schrödingers katt skulle vara ganska cool.

Seth Lloyd är professor i maskinteknik och chef för Center for Extreme Quantum Information Theory vid MIT.

Dölj