En Quantum Boost för en annan typ av dator

S. Debnath

Kvantdatorer som kan göra häpnadsväckande beräkningar är äntligen vid horisonten. Men hur kommer de första användbara maskinerna att se ut?

Industry heavy hitters inklusive IBM , Google , microsoft , och Intel , samt några nystartade företag som Beräkningsavslag och Quantum Circuits Incorporated , gör alla stadiga framsteg mot mer kapabla kvantdatorer genom att använda supraledande kretsar kylda till extrema temperaturer.

Samtidigt har två forskarlag visat att ett tillvägagångssätt som till stor del ignoreras av industrin – att använda fångade atomer för att utföra beräkningar – kan skalas upp till en ny nivå av komplexitet och användas för att utföra värdefullt arbete. De resulterande systemen är inte universella kvantdatorer som kan utföra alla beräkningar, men de antyder att en atomär ansats kan ha mer potential än vad som antas. Arbetet antyder också att atomer i slutändan kan erbjuda ett bättre sätt att förvandla laboratoriesystem till storskaliga praktiska kvantdatorer.

Det supraledande tillvägagångssättet har visat sig framgångsrikt delvis på grund av att de ingenjörstekniker som används för att tillverka kiselkretsar har finslipats under de senaste decennierna (se 10 Breakthrough Technologies 2017: Practical Quantum Computers ). Men det är möjligt att bygga en kvantdator med ett brett spektrum av tillvägagångssätt.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse

I två papper publiceras idag i tidskriften Natur , ett team vid MIT och Harvard i Cambridge, Massachusetts, och ett annat från University of Maryland och National Institute of Standards i Washington DC, avslöjar att de har byggt specialiserade typer av kvanträknare, som var och en använder mer än 50 qubits – ja utöver vad som tidigare visats. I båda fallen skapade forskarna kvantsimulatorer, maskiner som kan använda analoga beräkningar för att modellera hur kvantpartiklar interagerar.

De två systemen använder båda atomer men fungerar på olika sätt. MIT-Harvard-systemet hanterar 51 qubits genom att använda lasrar för att fånga neutrala atomer i ett exciterat tillstånd. Maryland-NIST-maskinen, som hanterar 53 qubits, fångar ytterbiumjoner på plats med hjälp av guldbelagda elektroder. Tillsammans föreslår de att ett alternativt tillvägagångssätt för att bygga kvantmaskiner fortfarande kan ha potential att utmana den som industrin eftersträvar.

Även om vårt system ännu inte utgör en universell kvantdator, kan vi effektivt programmera den genom att kontrollera interaktionerna mellan qubits, säger Mikhail Lukin , en fysiker vid Harvard som utvecklade ett av systemen i samarbete med Vladan Vuletic vid MIT.

Will Zeng, en forskare vid Rigetti Computing, ett företag som har fått tiotals miljoner i riskfinansiering för att bedriva kvantberäkning, säger att kvantsimulering i denna skala är ett viktigt steg. Faktum är att simulering av kvanteffekter var det ursprungliga syftet med en kvantdator föreslagen av fysikern Richard Feynman för mer än 40 år sedan. Nu kan forskare visa en del av potentialen som finns i kvantdatorer, så resultaten är spännande, säger han.

Kvantdatorer fungerar på ett fundamentalt annorlunda sätt än konventionella datorer. Medan en normal dator tar binära bitar av information, kodad som antingen ett eller 0 , och utför beräkningar på dem en efter en, utnyttjar en kvantdator två kontraintuitiva egenskaper hos kvantmekanismen - intrassling och superposition - för att utföra beräkningar parallellt. Som ett resultat kan den beräkna med stora mängder information på mycket kortare tid. Flera dussin kvantbitar kan utföra beräkningar på miljarder informationsbitar i ett steg.

Tekniken förblev en dröm bland fysiker i flera år, men den har utan tvekan en enorm potential. Nu växer spänningen över att äntligen bygga maskiner som kan göra användbart arbete.

Riktmärket på 50 qubit är betydande eftersom kvantmaskiner runt den punkten blir kapabla att utföra beräkningar som skulle vara svåra, för att inte säga omöjliga, att köra på ens den mest enorma superdator som finns tillgänglig. Vissa forskare hänvisar till detta som kvantöverlägsenhet (se Google avslöjar en plan för kvantöverlägsenhet och IBM höjer ribban med en 50-Qubit kvantdator). Både IBM och Google utvecklar supraledande kvantdatorer för allmänna ändamål som kan använda ungefär samma antal qubits.

Kanske viktigare, qubits i de nya atomsystemen kan vara bättre lämpade att skala upp, säger Chris Monroe , professor vid University of Maryland och huvudförfattare på en av tidningarna. Qubits i solid-state-system är inte identiska, vilket innebär att ett system måste kalibreras noggrant, och detta kan vara knepigt när storleken på en maskin växer. Däremot är qubits gjorda med atomer, även om de är svårare att kontrollera, identiska och behöver ingen justering. Atomer är på sätt och vis den perfekta qubiten, säger Monroe. Han tillägger att atomsystem kan visa sig vara lättare att omkonfigurera, vilket gör dem mer lämpade för att ta itu med ett bredare spektrum av problem.

Det betyder inte att det är lätt för vem som helst att bygga större, mer praktiska kvantsystem. Vi tror att vi kan gå till runt tusen kvantbitar på ett okomplicerat sätt, men situationen är mindre klar utöver det, säger Vuletic.

Lika viktigt, vi får bara antydningar om hur användbara kvantdatorer verkligen kommer att vara. I en landmärkestudie som publicerades i september använde ett team på IBM en kvantdator, kallad IBM Q, för att simulera strukturen av berylliumhydrid, den mest komplexa molekyl som någonsin analyserats på detta sätt.

Vi kommer förmodligen inte att veta vad dessa maskiner är kapabla till förrän många fler ingenjörer och programmerare får tag på dem. Vi börjar gå bortom fysikens era till kvantteknik, säger UMD:s Monroe.

Dölj