Google avslöjar Blueprint för Quantum Supremacy

Det stora löftet med kvantberäkning är förmågan att utföra beräkningar av häpnadsväckande komplexitet som är långt bortom kapaciteten hos konventionella datorer. Fysiker har länge vetat att en kvantdator med bara 50 qubits skulle kunna överträffa till och med världens mest kraftfulla superdatorer.

Men att överträffa gränserna för konventionell datoranvändning – att uppnå kvantöverlägsenhet, som fysiker kallar det – har visat sig vara svårare än alla förväntade sig. Kvanttillstånd är ömtåliga föremål – nysningar och de försvinner. På grund av detta har fysiker fastnat för den praktiska utmaningen att isolera kvantdatorer och deras kvantbearbetningsmaskineri från omvärlden. Som ett resultat verkar kvantöverhöghet lika långt borta som någonsin.

Men det kan finnas ett annat sätt att visa kvantöverhöghet som inte kräver en kvantdator för allmänt bruk som kan köra olika kvantalgoritmer. Istället har fysiker börjat leka med kvantsystem som bara kan göra en sak. Om de kan visa att denna enda sak är bortom kapaciteten hos någon konventionell dator, då kommer de att ha visat kvantöverlägsenhet för första gången. Men hur detta kan göras är långt ifrån klart.

Idag säger Charles Neill vid University of California Santa Barbara och Pedram Roushan på Google att de vet hur kvantöverlägsenhet kan uppnås och att de framgångsrikt har demonstrerat en proof-of-principe-version av maskinen för första gången. Arbetet väcker utsikterna att den första demonstrationen av kvantöverhöghet kan vara bara månader långt.

Först lite bakgrund. Den stora fördelen med qubits jämfört med vanliga bitar är att de kan existera i en superposition av tillstånd. Så medan en vanlig bit kan vara antingen en 1 eller en 0, kan en qubit vara både en 1 och 0 samtidigt.

Det betyder att två qubits kan representera fyra siffror samtidigt, tre qubits kan representera åtta siffror och nio qubits, 512 siffror samtidigt. Med andra ord, deras förmåga ökar exponentiellt.

Det är därför det inte krävs många qubits för att överträffa konventionella datorer. Bara 50 qubits kan representera 10 000 000 000 000 000 siffror. En klassisk dator skulle kräva ett petabyte-minne för att lagra det numret.

Så ett sätt att uppnå kvantöverhöghet är att skapa ett system som kan stödja 49 qubits i en superposition av tillstånd. Det här systemet behöver inte utföra några komplicerade beräkningar - det behöver bara kunna utforska hela utrymmet för en 49-qubit superposition på ett tillförlitligt sätt. Så Neill och Roushans mål är att skapa en superposition på 49 qubit.

Det är lättare sagt än gjort. Men arbetet de tillkännager i dag är en demonstration av principbevis.

Deras tillvägagångssätt är okomplicerat. Qubits är kvantobjekt som kan existera i två tillstånd samtidigt, och det finns många sätt att göra dem. Till exempel kan fotoner polariseras både vertikalt och horisontellt samtidigt, atomkärnor kan snurra med sin axel både uppåt och nedåt samtidigt, elektroner kan färdas längs två banor samtidigt. Fysiker experimenterar med alla dessa system för kvantberäkning.

Neill och Roushan har dock valt en annan väg. Deras kvantsystem är en supraledande qubit. Detta är i huvudsak en metallslinga som kyls till låg temperatur. Ställ in en ström som flyter genom den här slingan och den kommer att flyta för alltid - ett kvantfenomen som kallas supraledning.

Men denna kvantnatur leder till ett snyggt trick: strömmen kan flyta åt ena hållet och åt andra hållet samtidigt. Och detta är vad som gör att den kan fungera som en qubit som samtidigt kan representera både en 0 och 1.

Den stora fördelen med supraledande qubits är att de är relativt lätta att kontrollera och mäta. De kan också kopplas till varandra när flera slingor sitter bredvid varandra på ett chip. Denna länkning av grannar är svårare och kräver ytterligare ett knep.

Strömflödet i den ena eller andra riktningen är bara en lågenergikonfiguration. Lägg in mer energi och andra tillstånd är också möjliga. Det är dessa högre energitillstånd som kan interagera med varandra och skapa större superpositioner. På detta sätt kan närliggande slingor dela samma, mycket mer komplexa tillstånd.

Det proof-of-principe-experiment som Neill och Roushan och co har genomfört är att göra ett chip med nio angränsande slingor och visa att de supraledande qubits som de stöder kan representera 512 tal samtidigt.

Det är inte i närheten av antalet qubits som krävs för kvantöverhöghet, men experimentet ger uppmuntrande tips om att detta kommer att vara möjligt.

Den stora rädslan bland fysiker är att det inte bara är siffrorna utan också felen som ökar exponentiellt i dessa kvantsystem. Om felen ökar för snabbt kommer de att svämma över systemet, vilket gör kvantöverhöghet omöjlig.

Nyckelresultatet från detta experiment är att visa att felen inte skalas snabbt i dessa supraledande chips. Istället visade teamet att felen ökar långsamt på ett sätt som borde möjliggöra en meningsfull överlagring av upp till 60 qubits. Dessa resultat ger lovande bevis på att kvantöverlägsenhet kan uppnås med hjälp av befintlig teknik, säger forskarna.

Det är intressant arbete. Det tyder tydligt på att kvantöverlägsenhet borde vara möjligt med ett chip som rymmer 50 supraledande slingor istället för bara nio. Att göra ett sådant chip borde vara enkelt – det är faktiskt svårt att föreställa sig att laget inte skapar ett just nu.

Men det finns en viktig varning. Ett 50-qubit-chip kommer bara att vara möjligt om felen fortsätter att skala på det sätt som laget har visat. Och det väcker en viktig fråga. Teamet har visat hur fel skalas när antalet qubits ökar från fem till nio. Men kommer felen att skala på samma sätt som qubits ökar från nio till 50?

Om inte, är kvantöverhöghet fortfarande långt borta. Men om de gör det kommer detta team att hoppas kunna hävda kvantöverlägsenhet under de kommande månaderna.

Så det är en fråga som Neill, Roushan och co kommer att arbeta hårt för att svara på just nu. Vi ser fram emot att rapportera deras resultat.

Ref: arxiv.org/abs/1709.06678 : En plan för att demonstrera Quantum Supremacy med supraledande Qubits

Dölj