Kvantberäkning

Datorer har infiltrerat nästan alla områden inom näringslivet och vetenskapen, och de blir allt snabbare. Ändå stöter forskare rutinmässigt på problem som är omöjliga för ens de mest kraftfulla superdatorerna att lösa. Botemedlet kan vara kvantdatorer, som skulle använda kvantmekanikens fantastiska egenskaper för att knäcka sådana problem på sekunder snarare än århundraden. Sedan 1980-talet har fysiker i akademiska laboratorier och på företag som IBM, Hewlett-Packard och NEC bedrivit en mängd olika kvantberäkningsmetoder, men ingen verkar sannolikt leverera en fungerande maskin på mindre än 10 år.

Företag: D-Wave-system

Den här historien var en del av vårt julinummer 2005

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Huvudkontor: Vancouver, British Columbia

Investerat belopp: 22 miljoner dollar kanadensiska (cirka 17,5 miljoner dollar i USA)

Huvudinvesterare: Draper Fisher Jurvetson

Nyckelgrundare: Geordie Rose, Alexandre Zagoskin, Bob Wiens, Haig Farris

Teknologi: Kvantdatorer

Vancouver startup D-Wave Systems siktar dock på att bygga en kvantdator inom tre år. Det kommer inte att vara en fullt fungerande kvantdator av det slag som länge föreställts; men D-Wave är på väg att producera en bullrig del av kvanthårdvara för specialändamål som skulle kunna lösa många av de fysiska simuleringsproblem som stör dagens datorer, säger David Meyer, en matematiker som arbetar med kvantalgoritmer vid University of California, San Diego.

Skillnaden mellan D-Waves system och andra kvantdatordesigner är de speciella egenskaperna hos kvantmekaniken som de utnyttjar. Andra system förlitar sig på en egenskap som kallas entanglement, som säger att alla två partiklar som har interagerat tidigare, även om de nu är rumsligt åtskilda, fortfarande kan påverka varandras tillstånd. Men det ömsesidiga beroendet störs lätt av partiklarnas interaktioner med sin omgivning. Däremot drar D-Waves design nytta av den mycket mer robusta egenskapen hos kvantfysiken, känd som kvanttunnelering, som tillåter partiklar att magiskt hoppa från en plats till en annan.

D-Wave grundades i april 1999 och uppstod som en serie samtal mellan studenter och föreläsare vid University of British Columbia. Under årens lopp har det samlat på sig immateriella rättigheter och minskat sitt fokus, samtidigt som det attraherat nästan 18 miljoner dollar i finansiering, initialt från ängelinvesterare och på senare tid från de kanadensiska och tyska regeringarna, och från riskkapitalföretag. Företaget planerar att färdigställa en prototypenhet i slutet av 2006; en version som kan lösa kommersiella problem kan vara klar 2008, säger VD och koncernchef Geordie Rose.

Agressiviteten i D-Waves tidtabell möjliggörs av enkelheten i enhetens design: ett analogt chip gjord av lågtemperatursupraledare. Chipet måste kylas till -269 °C med flytande helium, men det kräver inte de känsliga toppmoderna lasrar, vakuumpumpar och andra exotiska maskiner som andra kvantdatorer behöver.

Designen är också mottaglig för de litografitekniker som används för att göra standarddatachips, vilket ytterligare förenklar tillverkningen. D-Wave mönster en rad slingor av lågtemperatursupraledare som aluminium och niob på ett chip. När elektricitet flödar genom dem fungerar slingorna som små magneter. Två kylskåpsmagneter kommer naturligt att vända så att de håller ihop, vilket minimerar energin mellan dem. Slingorna i D-Waves chip beter sig på liknande sätt och vänder strömriktningen från medurs till moturs för att minimera det magnetiska flödet mellan dem. Beroende på vilket problem det är tänkt att ta itu med, är chipet programmerat så att ström flyter genom varje slinga i en viss riktning. Slingorna vänder sedan spontant tills de når ett stabilt energitillstånd, vilket representerar lösningen på problemet.

D-Waves första dator kommer inte att kunna uppnå den mest utbredda vinsten av kvantberäkning: att ta hänsyn till de extremt stora siffrorna i hjärtat av moderna kryptografiska system exponentiellt snabbare än någon känd dator. Det kommer dock att vara idealiskt lämpat för att lösa problem som det ökända problemet med resandeförsäljare, där en säljare söker efter den optimala rutten mellan städer. När deras komplexitet växer blir sådana problem snabbt svårlösta för traditionella datorer eftersom de kräver att man undersöker alla möjliga svar. I sökandet efter sitt eget optimala energitillstånd utför D-Waves chip exakt denna typ av beräkning automatiskt, på några sekunder. Tillämpningar – vissa värda miljarder dollar – inkluderar optimering av så varierande objekt som lastbilsrutter, finansiella portföljer och till och med layouterna för traditionella datorchips. D-Waves samarbetspartner Oliver Downs säger att D-Waves chip också borde utmärka sig vid modellering av andra kvantsystem, till exempel de molekylära interaktioner som kännetecknar nanomaterial eller droger.

Även om de är mer robusta än vanliga kvantdatorer, kommer D-Waves system fortfarande att vara känsliga. Så företaget har för avsikt att sälja lösningar snarare än datorer, säger Rose. En kund kommer att köra ett program för att lösa ett givet problem på sina egna datorer. När programmet stöter på den olösliga delen av problemet kommer det att fjärranropa D-Waves dator för att köra en subrutin. För många specialiserade applikationer har sådan dedikerad hårdvara potentialen att vara överlägsen även den mest smarta programvaran som körs på en allmändator, säger Meyer från UCSD.

Och medan många tillvägagångssätt för kvantberäkningar har träffat en vägg och stött mot gränserna för lasrar och annan utrustning, menar Downs att D-Waves tidiga experimentella resultat indikerar att dess chip ligger rätt enligt schemat. Även om Meyer säger att han inte kan bedöma om företaget kommer att hålla sina självpåtagna deadlines, tror han att det kommer att lyckas bygga en maskin som kan lösa exakt de typer av problem den föreställer sig. De har anställt både mycket duktiga experimentalister och några ganska seriösa teorimänniskor, säger han. Det är verkligen sättet att närma sig den här typen av problem för att få det att hända på icke-akademisk tid.

Företag:
D-Wave-system

Huvudkontor:
Vancouver, British Columbia

Investerat belopp:
22 miljoner dollar kanadensiska (cirka 17,5 miljoner dollar i USA)

Huvudinvesterare:
Draper Fisher Jurvetson

Nyckelgrundare:
Geordie Rose, Alexandre Zagoskin, Bob Wiens, Haig Farris

Teknologi:
Kvantdatorer

Dölj