211service.com
Google tror att det är nära kvantöverhöghet. Här är vad det verkligen betyder.
Sjuttiotvå kanske inte är ett stort antal, men i kvantberäkningstermer är det enormt. Denna vecka Google avtäckt Bristlecone, ett nytt kvantberäkningschip med 72 kvantbitar, eller kvantbitar – de grundläggande beräkningsenheterna i en kvantmaskin. Som vår qubit-räknare och tidslinje visar, är den tidigare rekordhållaren bara en processor på 50 qubit som tillkännagavs av IBM förra året.
John Martinis, som leder Googles insats, säger att hans team fortfarande behöver göra fler tester, men han tror att det är ganska troligt att det nya chipet i år, kanske till och med om bara några månader, kan uppnå kvantöverlägsenhet. Det är den punkt då en kvantdator kan göra beräkningar utom räckhåll för dagens snabbaste superdatorer.
När Google eller ett annat team äntligen deklarerar framgång, förvänta dig en flod av rubriker om gryningen av en ny och spännande era. Kvantdatorer ska hjälpa oss att upptäcka nya läkemedel och skapa nya material, samt vända på kryptografi.
Men verkligheten är mer komplicerad. Du kommer att kämpa för att hitta någon [forskare] som gillar termen 'kvantöverhöghet', säger Simon Benjamin, en kvantexpert vid Oxford University. Det är väldigt catchy, men det är lite förvirrande och översäljer vad kvantdatorer kommer att kunna göra.
Kvantbyggstenar
För att förstå varför, lite kort bakgrund. Magin med kvantdatorer ligger i dessa qubits. Till skillnad från bitarna i klassiska datorer, som lagrar information som antingen ett eller 0 , qubits kan existera i flera tillstånd av ett och 0 samtidigt – ett fenomen som kallas superposition. De kan också påverka varandra även när de inte är fysiskt anslutna, via en process som kallas entanglement.
Vad det här handlar om är att även om några extra bitar bara gör en blygsam skillnad för en klassisk dators kraft, kan att lägga till extra qubits till en kvantmaskin öka dess beräkningskraft exponentiellt. Det är därför det i princip inte krävs så många qubits för att övervinna ens de mest kraftfulla av dagens superdatorer.
Att skapa qubits kräver dock fantastiska tekniska prestationer, som att bygga supraledande kretsar som hålls vid temperaturer kallare än yttre rymden (det tillvägagångssätt som Google använder). Det är nödvändigt för att isolera dem från omvärlden. Förändringar i temperatur eller de minsta vibrationerna – fenomen som kallas brus – kan få qubits att bryta samman eller förlora sitt ömtåliga kvanttillstånd. När det händer kryper fel snabbt in i beräkningar.
Och ju fler qubits, desto fler fel finns det. De kan korrigeras med hjälp av ytterligare qubits eller smart programvara, men det tappar mycket av maskinens beräkningskapacitet. Under de senaste åren har framsteg inom superkylningsteknik och andra områden ökat antalet qubits som kan snurras upp och hanteras effektivt. Men det förblir en ständig kamp mellan makt och komplexitet.
Förhoppningar om att nå kvantöverhöghet har grusats tidigare. Under en tid trodde forskare att det skulle räcka med en 49-qubit-maskin, men förra året kunde forskare vid IBM simulera ett 49-qubit-kvantsystem på en konventionell dator (se Nya vändningar på vägen till kvantöverhöghet ). Inte heller konventionella datorer står stilla: i synnerhet Kina har investerat hårt i tekniken och har nu världens två mest kraftfulla maskiner.
Googles stora ögonblick
Ändå, säger Daniel Gottesman från Perimeter Institute for Theoretical Physics i Kanada, medan bättre algoritmer och digitala datorer skulle kunna flytta tröskeln till överhöghet lite, skulle det förmodligen bara kräva några extra qubits för en kvantmaskin att verkligen överträffa dem. Med Bristlecones 72 qubits finns det gott om eldkraft att leka med.
Med hjälp av Bristlecone planerar Martinis och hans kollegor att köra ett test som försöker demonstrera kvantöverlägsenhet. Den strikta definitionen av riktmärket är att uppgiften ska vara omöjlig för en konventionell dator att utföra. Men detta väcker en svår fråga: hur vet du egentligen om en kvantdator har producerat ett korrekt svar om du inte kan kontrollera det med en som använder kiselbitar?
För att hantera detta planerar Google-teamet att gå helt ut i kanten och använda en kvantmaskin för att lösa en algoritm vid gränsen för kapaciteten hos dagens superdatorer. Man kan också visa att algoritmen är exponentiellt komplicerad, förklarar Martinis. Att lägga till bara en qubit till skulle då ta kvantenheten långt utöver vad en konventionell maskin skulle kunna hantera inom rimlig tid.
Namnspel
Även om Google når det magiska riktmärket, kommer komplexiteten och kostnaden för att hantera kvantmaskiner att begränsa hur användbara de kan vara.
Även om det finns några potentiellt lovande applikationer, som att exakt designa molekyler (se 10 Breakthrough Technologies 2018), kommer klassiska maskiner fortfarande att vara bättre, snabbare och mycket mer ekonomiska på att lösa de flesta problem. Att använda en kvantdator skulle vara som att chartra en jumbojet för att korsa vägen, säger Oxford Universitys Benjamin.
Han föreslår att vi snarare än kvantöverhöghet borde prata om att uppnå kvantohärmbarhet – med andra ord specifika uppgifter som bara kvantdatorer kan göra. Andra forskare har föreslagit namn som quantum advantage eller quantum ascendancy.
Semantiken spelar roll. Tekniker som AI gick igenom flera hypecykler innan de verkligen tog fart. Det finns en risk att om förväntningarna höjs för höga nu, kommer kvantmaskiner inte att leva upp till dem (se Seriösa kvantdatorer är äntligen här. Vad ska vi göra med dem? ). Det kan utlösa en exodus av investerare, som har pumpat miljontals dollar till kvantstartups.
Relaterad berättelse
Relaterad berättelse Till och med upphovsmannen till kvantöverhöghet försöker dämpa det surr han hjälpte till att skapa. John Preskill, en teoretisk fysiker vid California Institute of Technology, myntade termen i ett tal 2011. I januari i år publicerade han termen ett papper där han sa att kvantberäkning var på väg att gå in i en fas som han kallade NISQ, eller bullriga mellanstegskvantum, där maskiner kommer att ha 50 till några hundra qubits. 'Noisy', skrev han, betyder att vi kommer att ha ofullkomlig kontroll över dessa qubits; bullret kommer att sätta allvarliga begränsningar för vad kvantenheter kan uppnå på kort sikt. Preskill sa att han fortfarande är övertygad om att kvantdatorer kommer att ha en transformativ effekt på samhället, men att transformationen, medger han, kan fortfarande vara decennier borta.
Bullerproblemet är en omtvistad fråga. Gil Kalai, professor vid hebreiska universitetet i Jerusalem, har hävdat att utmaningarna med buller är så stora att de kommer att förhindra att kvantmaskiner någonsin blir riktigt användbara. Många experter håller inte med. Buller kan hanteras, säger Andrew Childs, meddirektör för Joint Center for Quantum Information and Computer Science vid University of Maryland. Du behöver bara förstå hur mycket av det du kan tolerera.
Googles Martinis är också medveten om att förväntningarna måste hanteras. Algoritmen som hans team planerar att använda är en mycket specifik algoritm för att testa kvantmaskiners kapacitet snarare än för att uppnå något praktiskt. Så snart vi kommer till kvantöverlägsenhet, säger han, kommer vi att vilja visa att en kvantmaskin kan göra något riktigt användbart.