Google-IBM kvantöverhöghetsfejden

Deep Tech är en ny podcast för prenumeranter som väcker människorna och idéerna i vår tryckta tidning till liv. Avsnitt kommer att släppas varannan vecka. Vi gör de första fyra omgångarna, byggda kring vårt 10 Breakthrough Technologies-problem, tillgängliga gratis.

Var det ett genombrott eller en snooze? I oktober 2019 tillkännagav Googles forskare att de hade uppnått kvantöverlägsenhet, det länge sökta beviset på att en dator byggd kring kvantmekanikens konstiga egenskaper åtminstone i vissa fall kan utföra beräkningar exponentiellt snabbare än en dator byggd kring klassiska bitar. . Forskare vid IBM, en av Googles främsta rivaler i kapplöpningen om att kommersialisera kvantdatorer, förekom dem med ett påstående om att Google hade överdrivit sin kvantdators fördelar och att kvantöverhöghet ändå inte var en meningsfull prestation. MIT Technology Reviews chefredaktör, Gideon Lichfield, besökte båda företagen i ett försök att förstå deras oenighet och fick reda på att det går mycket djupare än det verkar.

Visa anteckningar och länkar:

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2020

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Inom kapplöpningen om att bygga den bästa kvantdatorn på jorden , från mars/april 2020 tryckta nummer, sid. 38

Här är vad kvantöverlägsenhet betyder – och inte – betyder för datorer , september 2019

Quantum supremacy från Google? Inte så snabbt, säger IBM, oktober 2019

En exklusiv intervju med Googles vd Sundar Pichai om att uppnå kvantöverhöghet, oktober 2019

Vår serie med kvantförklaringar:

• Vad är en kvantdator?
• Vad är kvantkommunikation?
• Vad är postkvantkryptografi?

Avskrift av avsnitt

Ljud-ID: Detta är MIT Technology Review.

Gideon Lichfield: Vad som händer här är att IBM inte bara är skeptisk till att Google uppnår kvantöverlägsenhet i just det här fallet. Den tror bara att kvantöverlägsenhet inte är särskilt viktig. Och det jag försökte förstå var varför. Varför trodde de det?

Wade Roush: I decennier har vi blivit lovade kvantdatorer. Med sin närmast mytiska kraft kunde dessa maskiner lösa svåra problem och låsa upp nya genombrott inom vetenskapen. Förra hösten hävdade Google att det hade tagit ett stort steg mot att bygga den första användbara kvantdatorn, och IBM sköt omedelbart ner det påståendet. Så vad är det egentligen som händer? Technology Reviews chefredaktör Gideon Lichfield förklarar varför rivaliteten mellan dessa två teknikjättar går ännu djupare än den verkar, och varför dispyten om kvantöverhöghet spelar roll för oss andra. Jag heter Wade Roush och det här är Deep Tech.

[Temamusik]

Wade Roush: Nu, om en minut, ska jag prata med Gideon om exakt vad det är som Google åstadkom i oktober förra året med sin experimentella kvantdator, kallad Sycamore, och varför IBM inte var imponerad. Men först tror jag att det hjälper att erkänna direkt att kvantberäkning är konstigt. Det är byggt kring beteenden som är absolut verkliga i atomär skala, men som verkar lite overkliga för oss på vår mänskliga skala. Så för att göra oss redo att prata om det här, vill jag ta dig först till centrala Boston, där jag fick en vän till mig att hjälpa till med en musikalisk demonstration.

Wade Roush: Säg vad du heter och var vi är.

Heinrich Christensen: Mitt namn är Heinrich Christensen och jag är musikchef på King’s Chapel i Boston. Och det är där vi är just nu, på orgelloftet.

Wade Roush: King's Chapel har en vacker piporgel, och jag gick dit för att se om Heinrich kunde skapa soniska analogier till tre av de konstigaste idéerna inom kvantberäkning. Så du vet hur en traditionell dator fungerar på bitar som antingen är på eller av och representerar en etta eller en nolla? Jag bad Heinrich att representera det genom att bara spela två separata toner.

[Orgelmusik]

Wade Roush: Tänk på den låga tonen som en nolla och den höga tonen som en etta. Den första konstiga men sanna idén inom kvantberäkning kallas superposition. Hjärtat i en kvantdator är en samling kvantbitar eller kvantbitar, och om du kan hålla en kvantbit isolerad från omvärlden kan du få den till detta tillstånd av superposition där den inte är en nolla eller en etta. Det är typ båda på samma gång. Nu kan du representera det genom att spela den höga tonen och den låga tonen samtidigt.

[Orgelmusik]

Wade Roush: Men matematiken för kvantberäkning säger faktiskt att när en qubit är i ett tillstånd av superposition måste du beskriva den med ett slags utstryk av sannolikheter mellan 0 och 1.

Heinrich Christensen: Höger. Så det skulle låta så här.

[Orgelmusik]

Wade Roush: Det är inte förrän i slutet av en beräkning när du mäter en qubit som detta utstryk av sannolikheter kollapsar tillbaka till en klassisk etta eller noll. Den andra konstiga idén inom kvantberäkning kallas entanglement. Om två kvantpartiklar eller två alnar är intrasslade, kopplas deras egenskaper eller öden ihop på ett sätt som låter dem agera unisont. Och det är det som gör kvantdatorer exponentiellt snabbare på vissa jobb än klassiska datorer. Och när jag säger exponentiellt menar jag det bokstavligen. Om du har ett visst antal entangled qubits, kalla det n, och de kan representera två till n:te tillstånden samtidigt. Så, två qubits kan representera fyra tillstånd. Tre qubits kan representera åtta tillstånd. Fyra qubits kan representera 16 tillstånd, fem qubits kan representera 32 tillstånd och så vidare. Jag skulle ha bett Heinrich att spela 32 toner, men han fick slut på fingrarna. Poängen är att en kvantdator med bara några dussin alnar i teorin skulle kunna göra vissa beräkningar snabbare än världens mest kraftfulla klassiska superdatorer.

Wade Roush: Det finns ett sista fenomen som gör att kvantberäkning skiljer sig från klassisk beräkning, och det kallas interferens. Det är som vågor i en damm som överlappar varandra. Jag frågade Heinrich om han kunde spela två toner på King’s Chapel-orgeln som låg så nära varandra att vi kunde höra ljudvågorna störa.

[Orgelmusik]

Vada: Det du hör där är en pulserande förändring i volym eftersom tonerna från de två rören stör konstruktivt och sedan destruktivt. Och som det visar sig att du kan programmera en kvantdator att använda en analog typ av störningar för att förstärka de korrekta svaren och ta bort de felaktiga. Lyssna igen.

[Orgelmusik]

Wade Roush: Tack, Heinrich.

Heinrich Christensen: Tack!

Wade Roush: Nu är analogin mellan musik och kvantberäkning inte vad någon datavetare eller fysiker skulle kalla exakt. Så ta inte allt du nyss hört på för allvarligt. Men nu tror jag att vi är redo att träffa Gideon. För sin långfilm i mars-april-numret av MIT Technology Review gick han till ett Google-labb i Santa Barbara, Kalifornien, och ett IBM-labb i Yorktown Heights, New York. Och han pratade med forskarna som bygger några av dagens mest avancerade kvantdatorer.

Wade Roush: Gideon, tack för att du var med i programmet.

Gideon Lichfield: Tack, Wade.

Wade Roush: Du har varit på både Google och IBM för att se deras kvantdatorlabb. Varför gick du och träffade de här killarna?

Gideon Lichfield: Så i september förra året läckte ett papper på nätet som skrevs av forskare på Google som sa att de hade uppnått det här som kallas kvantöverhöghet. De hade fått en kvantdator för att göra en beräkning som de ansåg att den mest kraftfulla klassiska superdatorn på planeten skulle ta 10 000 år att göra. Och de hade gjort det med en kvantdator på tre minuter. Så papperet läckte. Google var inte riktigt redo att publicera det, men en månad senare publicerade de det faktiskt. Och de bjöd in mig och ett gäng andra journalister ner till deras labb i Santa Barbara för att se datorerna och prata om vad denna upptäckt betydde.

Gideon Lichfield: Två dagar innan vi alla skulle dyka upp i Santa Barbara publicerade IBM sin egen tidning där de sa att Google i princip hade fel. Och den här klassiska superdatorn skulle inte ta 10 000 år att göra beräkningen. Det skulle bara ta ett par dagar. Så vi var där för att bevittna denna Google-milstolpe, som de beskriver som något som Wright Brothers, den första flygningen av Wright Brothers’ Flyer för kvantberäkning. Och IBM säger nej, det här var inte Flyer. Det här var bara, du vet, det här var bröderna Wright som testade att deras motorer startade eller något liknande.

Gideon Lichfield: Så det var denna omedelbara face-off, denna kamp mellan de två jättarna om inte så mycket om vem som kom dit först, utan om prestationen verkligen var vad Google sa att den var. Efter det blev jag väldigt intresserad av varför IBM var så inställd på att avfärda Googles påstående. Och jag pratade med dem. Faktiskt ungefär samtidigt som Google tillkännagavs, och sedan gick jag ner för att besöka deras labb senare.

Gideon Lichfield: Vad som händer här är att IBM inte bara är skeptisk till att Google uppnådde kvantöverhöghet i det här specifika fallet. Den tror bara att kvantöverlägsenhet inte är särskilt viktig. Den tror att det där beviset, det ögonblicket att visa att du har en kvantdator för att göra något, mycket snabbare än en klassisk, inte är särskilt relevant. Och det jag försökte förstå var varför. Varför trodde de det? Varför var något som för alla andra verkar ganska självklart - du har en kvantdator för att göra något som ingen någonsin gjort tidigare - varför är det inte en prestation? IBM är verkligen övertygad om att det är fel sak att prata om. Att det inte är en viktig milstolpe. Och jag ville förstå varför.

Wade Roush: När du gick och besökte dessa labb, vad såg du när du gick in på dessa platser? Kan du måla upp en bild åt oss av en Google-anläggning eller IBM-anläggningen eller båda?

Gideon Lichfield: Så vad du ser i dessa labb, menar jag främst, det finns en hel del utrustning som ligger runt och, du vet, mätanordningar och sånt. Men det viktigaste du ser är en cylindrisk stålfat, förmodligen lite större än en oljefat. Och den hänger från en ställningsrigg som är avsedd att dämpa vibrationer. Och när trumman tas av, är det du ser det som de kallar ljuskronan. Det ser ut som en ljuskrona. Någon skrev en gång om det och kallade det en steampunk ljuskrona. Det är denna mångfaldiga sak full av mässing och på kablar och öglor med saker. Och vad det är, är ett kylsystem. Det är ett utspädningskylskåp. Och det kyler saker i successiva nivåer. Allra högst upp i kylen. Det kyler ner saker till cirka 4 kelvin, 4 grader över absoluta nollpunkten. Och sedan för varje efterföljande nivå ner, blir det kallare och kallare tills det längst ner är 15 millikelvin, femton tusendelar av en grad över absoluta nollpunkten. Och inuti det finns ett litet silikonchip. Och det är där qubitarna, själva kvantdatorn sitter.

Wade Roush: När du går in i ett av dessa labb och du ser den här steampunk extravaganza ljuskronan, kommer du därifrån och tänker: 'Wow, det är otroligt coolt, vi är på gränsen till en revolution?' Eller kommer du därifrån och tänker: 'Man , som ser ut som något ur en dålig film? Det kommer att ta en evighet att få riktig kvantberäkning.'

Gideon Lichfield: När du tittar på en av dessa saker i labbet ser den väldigt hembryggt ut. Men jag tror att man får känslan av att det är så här teknikens tidiga dagar ser ut. När jag var på IBM-labbet och Jerry Chow visade mig runt, pekade han på några av maskinerna som de har. Och han sa, titta, det här ser redan mycket snyggare ut än råttboet av trådar som du har i några av våra tidigare maskiner.

[Klippt till inspelning från Gideons besök på IBM:s Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, NY]

Jerry Chow: Så det här är ett av våra primära forskningslabb, där vi gör mycket av enheternas genomströmning för att göra dem bättre.

Gideon Lichfield: Hur många maskiner har vi här inne?

Jerry Chow: Vi har fem maskiner här inne. Det pumpande du hör är pulsrören till kylskåpen.

[Klipp tillbaka till studiointervju]

Wade Roush: Höger. Så min uppfattning är att både IBM och Google använder samma kärnteknologi för att förkroppsliga sina qubits, genom att använda dessa saker som kallas Josephson junctions.

Gideon Lichfield: De använder båda samma grundläggande teknik. Så vi är vid den punkten med kvantdatorer att vi, låt oss säga, hade vakuumrör tillbaka i gamla dagar av datoranvändning där människor försöker alla möjliga olika sätt att bygga en qubit, för att bygga en grundläggande del av datoranvändning. Och det finns jag vet inte, vad, 10 eller ett dussin helt olika sätt att göra qubits just nu. Det finns bara ett par som verkligen leder, men det finns många, många olika sätt att försöka göra det. Många med andra ord, alla dessa är olika sätt att göra en simulerad atom. Så IBM och Google har båda valt något som kallas en supraledande transmon qubit, som består av det här som kallas Josephson Junction. Vad det är, är att det är två små metallremsor som är supraledande när de hålls väldigt kalla. Och sedan finns det ett väldigt, väldigt tunt gap mellan dem ungefär en nanometer bred. Och sättet som elektroner rör sig över det gapet är i grunden det som skapar kvantbeteendet.

Wade Roush: När du var i Santa Barbara, hur reagerade Google-folket på det faktum att IBM i princip hade försökt punktera sin ballong ett par dagar tidigare? Vad sa och kände de om att IBM kom och sa: 'Vänta, håll upp, killar. Det kanske inte var riktigt så häpnadsväckande som du säger.'

Gideon Lichfield: De var, åtminstone på ytan, obesvärade, men det var tydligt att de var lite besvärade. Så först har vi den här presskonferensen. Google-teamet är där ute och pratar om vad de uppnådde och varför det är viktigt. Och sedan är en av de första frågorna från en journalist: 'OK. Så vad tycker du om IBM:s påstående att ni egentligen inte uppnådde något så betydande.’ Och jag minns att Hartmut Neven, som är chef för Googles kvantlabb, sa något som i princip inte tog upp frågan. Han undvek det liksom. Och det var tydligt för mig att han bara inte ville gå in på denna detalj. Senare pratade jag med John Martinis, som är killen som ansvarar för hårdvaran inom Googles team. Och jag ställde samma fråga till honom. Vad sägs om detta IBM-papper? Anser du att det påståendet är viktigt eller inte?

[Klippt till inspelning från Gideons besök i Googles Santa Barbara-labb]

John Martinis: Jag är lite förvånad över vad de gör, för jag tror att det är uppenbart för de flesta att detta är ett stort framsteg. Så du vet, det är trevligt att de gjorde det. Och du vet, vi öppnar upp vår programvara så att de kan modellera saken. Vi vill att de faktiskt testar det. Och om de validerar saker vi har gjort, det är bra.

[Klipp tillbaka till studiointervju]

Wade Roush: Han säger: 'Åh, om de säger att de faktiskt kan göra den här beräkningen på två och en halv dag, visa oss. Gör det.'.

Gideon Lichfield: Exakt.

Wade Roush: Okej. De har förresten inte gjort det, eller hur?

Gideon Lichfield: Det har de inte.

Wade Roush: OK. Så vi pratar om mycket komplicerade maskiner och mycket djup matematik och mycket hård fysik. Men på någon nivå verkar det som att vi också bara pratar om språk. Och jag ville be er att förklara var denna term kvantöverhöghet ens kommer ifrån, och varför har den blivit så omtvistad?

Gideon Lichfield: Så när John Preskill myntade denna term kvantöverhöghet 2012, var det fortfarande lite kontroversiellt om vi någonsin skulle kunna bygga en kvantdator som skulle kunna göra något snabbare än en klassisk maskin, eftersom man liksom inte riktigt vet vad som händer. på insidan av magen av dessa saker. Du kan bara göra alla typer av experiment för att försöka härleda det från dess beteende utifrån. Så Preskill sa att om vi bara i ett specifikt fall kan visa att en kvantdator är mycket snabbare än en klassisk maskin så kommer vi att ha bevisat att det är möjligt. Och det kommer att få åtminstone den debatten att vila och sedan kan vi fortsätta med att utveckla dem.

Wade Roush: Så ur det perspektivet uppnådde Google verkligen, citat unquote, kvantöverhöghet. De mötte Preskills utmaning.

Gideon Lichfield: Ja det gjorde dem. Och i stort sett alla i kvantdatorvärlden som du pratar med, utom folket på IBM, kommer att hålla med om att detta betydde något, att en betydande milstolpe uppnåddes.

Wade Roush: Så när IBM kommer och säger: 'Visst, du kan ha uppnått kvantöverlägsenhet, men hur praktiskt är det?' Och det skulle vi nog kunna göra på vår gigantiska Summit-dator ändå. Ge oss bara ett par dagar, vad säger de egentligen på IBM?

Gideon Lichfield: IBM:s invändning mot Googles prestation har många nivåer. Så på den mest grundläggande nivån, eller den mest ytliga nivån, snarare, är det en semantisk. De gillar inte termen 'överhöghet' eftersom de tror att allmänheten kommer att misstolka det som att nu kan kvantdatorer göra allt snabbare än klassiska. OK. Det är en rättvis invändning. Utöver det, vad de säger är att uppnå kvantöverhöghet i detta ena snäva fall inte riktigt bevisar någonting. Och så är IBM fokuserad på något som det kallar kvantfördelar. Det här låter som en semantisk skillnad, men det är inte för IBM. Tanken är att vi inte ska leta efter ett särskilt ögonblick av kvantöverlägsenhet är som en milstolpe. Det vi borde göra är att ständigt försöka bygga bättre kvantdatorer, göra dem större och göra dem snabbare och gradvis öka antalet fall där de kan göra vissa saker något snabbare. Det är inte så att de kommer att förstöra slå alla klassiska datorer till dammet. Det är att de kommer att vara lite snabbare, tillräckligt snabba för att det ska vara ekonomiskt värt att använda dem på vissa problem. Och så är det vad IBM menar med kvantfördelar. Det är ett gradvis växande antal fall där kvantdatorer har en fördel. Deras filosofi är att vad IBM har att göra med kvantdatorer är att leverera produkter som kommer att tjäna sina kunder och hjälpa dem att uppnå högre effektivitet eller att arbeta snabbare. Det, tror jag, är det som ligger till grund för denna annars ganska svårförståeliga tvist mellan två företag om vad som från utsidan bara verkar vara en fråga om terminologi.

Wade Roush: Vilka är insatserna här för oss andra? Varför spelar det någon roll om Google eller IBM ligger lite före just nu i kvantberäkningsracet?

Gideon Lichfield: Så vad står på spel i kvantberäkning? Löftet är att kvantdatorer ska kunna göra vissa saker som klassiska datorer i princip inte kan. Och de typer av applikationer, de typer av användbara applikationer som det oftast pratas om involverar saker som att modellera kemiska reaktioner eller vädermönster. Och detta kan vara viktigt eftersom vi stöter på lite av en innovationsvägg, särskilt inom saker som läkemedelsupptäckt och materialvetenskap. Det blir svårare och svårare att upptäcka nya material och nya läkemedel som kan flytta medicinen framåt eller flytta till exempel batteritekniken framåt. Och för tillfället, så som vi gör detta i labbet, leker forskare med molekyler som de tror kan vara lovande och gör experiment på dem och arbetar sig igenom utrymmet av möjliga molekyler. Du kan göra en del av den här typen av modellering nu med superdatorer och AI, men tanken med kvantdatorer är att de faktiskt kan exakt innehålla modellen av en molekyl av en komplex molekyl och verkligen förutsäga exakt vad den kommer att göra. Och så det kan bara kringgå en hel del av labbarbetet. Det kan tillåta dig att utforska ett mycket, mycket större antal potentiella droger eller potentiella material och identifiera vilka som faktiskt kommer att vara användbara. Så för att övervinna denna innovationsklyfta eller denna nedgång i mycket av vetenskapen som verkligen är viktig för oss som samhälle, kan kvantdatorer spela en stor roll.

Gideon Lichfield: Varför ska vi bry oss om Google eller IBM kommer före? På något sätt tycker jag inte att vi borde. Jag menar, i slutändan är det här två väldigt stora företag. Den ena representerar Silicon Valley-kulturen av innovation och smidighet. En representerar det stabila, institutionella, stadiga när hon går. Men var och en av dem försöker också utvecklas bort från vad de har varit tidigare. Så jag tror att det enda som spelar roll, kanske det som är relativt viktigt här, helt enkelt är att det är konkurrens mellan dem och mellan andra företag också om att bygga den första kvantdatorn. Faktumet om vi får framsteg på det här området kommer det att bero på att dessa jätteföretag med hundratals miljoner dollar över kastar resurser på problemet och försöker lösa det. Oavsett om IBM tror på kvantöverhöghet eller inte, tror jag att den kommer att behöva uppnå kvantöverlägsenhet om och om igen på sina datorer för att göra dem livskraftiga, för att göra dem användbara för sina kunder. Oavsett om Google tror på kvantfördelar eller inte, kommer det att behöva fortsätta att öka kvantfördelar för att fortsätta göra sina datorer bättre och snabbare och mer användbara för sina kunder. Så de kanske hatar varandras terminologi, de kanske hatar varandras koncept, men jag tror att de kommer att sluta följa ungefär samma, ungefär samma väg.

Wade Roush: Mars-april-frågan är TR10, 10 Emerging Technologies-frågan, och kvantöverhöghet är på listan. Så varför?

Gideon Lichfield: För vi tyckte att det faktiskt var en betydande prestation. Med andra ord, till viss del antar jag att vi köper Googles berättelse. Folk har pratat om kvantdatorer länge. Vi har faktiskt visat dem i topp 10-listan tidigare. Men det här kändes verkligen som en milstolpe, ett steg som för dem betydligt närmare. Och TR10 handlar om att identifiera genombrott som vi tror kommer att ha en viktig inverkan under de kommande tre, fem, kanske 10 åren. Och det här kändes bara som en av dem.

Wade Roush: Om det är din tröskel, att det kommer att bli en praktisk effekt under de kommande tre till 10 åren, vad du säger är att du känner att vi har nått den nivån. Vi var vid den punkten nu där kvantberäkning kan bli något som har en verklig inverkan inom tre till tio år.

Gideon Lichfield: Ja. Så med Googles uppnående av kvantöverlägsenhet har vi gått in i vad folk kallar den bullriga kvanteran i mellanskala, NISQ-eran. Och vad detta betyder är att vi nu kan bygga kvantdatorer som förmodligen kan göra något användbart som kommer att ha några hundra qubits, men kommer att vara brusiga, vilket betyder att de kommer att vara mottagliga för fel och att sluta fungera efter några sekunder på grund av dessa fel. Ingen vet riktigt vad de kommer att vara användbara för, men det är en rimlig satsning att det kommer att finnas några applikationer som de kan vara användbara. Och så något med några hundra qubits, som vi kanske kan se byggas inom de närmaste tre till fem åren, låt oss säga, faktiskt kan ha en praktisk tillämpning.

Wade Roush: Så det här är verkligen något att hålla ett öga på.

Gideon Lichfield: Jag tycker att det är.

Wade Roush: Tack, Gideon.

Gideon Lichfield: Tack så mycket, Wade.

Wade Roush: Det var allt för den här upplagan av Deep Tech. Det här är en podcast som vi gör exklusivt för prenumeranter på MIT Technology Review, för att hjälpa till att väcka liv till några av människorna och idéerna du hittar på sidorna på vår webbplats och vår tryckta tidning. Men de första fyra avsnitten av programmet täcker vårt årliga nummer av 10 Breakthrough Technologies. Så vi gör dessa avsnitt gratis för alla.

Wade Roush: Deep Tech är redigerad av Michael Reilly, med redaktionell och produktionshjälp denna vecka från Jennifer Strong och Jacob Gorski. Vårt tema är efter titelkort Musik och ljud i Boston. Speciellt tack denna vecka till Doreen Adger, John Akland, Elizabeth Bramson-Boudreau, Linda Cardinal, Angela Chen, Heinrich Christensen, Kyle Hemingway, Katie McClain och Eric Mongeon. Jag är Wade Roush. Tack för att du lyssna. Och vi hoppas att se dig tillbaka här om två veckor för vårt nästa avsnitt.

Dölj