Microsofts kvantmekanik

2012 tillkännagav fysiker i Nederländerna en upptäckt inom partikelfysik som började prata om ett Nobelpris. Inuti en liten stav av halvledarkristall, kyld svalare än yttre rymden, hade de fångat den första glimten av en märklig partikel kallad Majorana-fermion, vilket slutligen bekräftade en förutsägelse som gjordes 1937. Det var ett framsteg som till synes inte var relaterat till utmaningarna med att sälja kontorsproduktivitetsprogramvara eller konkurrera med Amazon inom cloud computing, men Craig Mundie, då chef för Microsofts teknik- och forskningsstrategi, var mycket nöjd. Den abstrakta upptäckten – delvis underskriven av Microsoft – var avgörande för ett projekt på företaget som syftade till att göra det möjligt att bygga oerhört kraftfulla datorer som krossar data med hjälp av kvantfysik. Det var ett avgörande ögonblick, säger Mundie. Denna forskning vägledde oss mot ett sätt att förverkliga ett av dessa system.

Microsoft är nu nästan ett decennium in i det projektet och har precis börjat prata offentligt om det. Om det lyckas kan världen förändras dramatiskt. Sedan fysikern Richard Feynman först föreslog idén om en kvantdator 1982, har teoretiker bevisat att en sådan maskin kunde lösa problem som skulle ta de snabbaste konventionella datorerna hundratals miljoner år eller längre. Kvantdatorer kan till exempel ge forskare bättre verktyg för att designa nya läkemedel eller supereffektiva solceller. De skulle kunna revolutionera artificiell intelligens.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2014

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Framstegen mot detta beräkningsnirvana har gått långsamt eftersom ingen har kunnat göra en tillräckligt tillförlitlig version av den grundläggande byggstenen i en kvantdator: en kvantbit, eller qubit, som använder kvanteffekter för att koda data. Akademiska och statliga forskare och företagslabb vid IBM och Hewlett-Packard har alla byggt dem. Små nummer har kopplats samman, och de resulterande enheterna förbättras. Men ingen kan kontrollera fysiken tillräckligt bra för att dessa qubits ska fungera som grunden för en praktisk allmändator.

Microsoft har ännu inte ens byggt en qubit. Men i den typ av paradox som kan förväntas inom kvantfysikens område, kan det också vara närmare än någon annan att göra kvantdatorer praktiska. Företaget utvecklar en ny typ av qubit, känd som en topologisk qubit, till stor del baserad på den upptäckten från 2012 i Nederländerna. Det finns goda skäl att tro att den här designen kommer att vara immun mot fläckigheten som plågar befintliga qubits. Det kommer att vara bättre lämpat för massproduktion också. Det vi gör är analogt med att göra den första transistorn, säger Peter Lee, Microsofts forskningschef. Hans företag arbetar också med hur kretsarna i en dator gjord med topologiska qubits kan utformas och kontrolleras. Och forskare från Microsoft som arbetar med algoritmer för kvantdatorer har visat att en maskin som består av endast hundratals kvantbitar kan köra kemisimuleringar utöver kapaciteten hos någon befintlig superdator.

Under nästa år eller så kommer fysiklabb som stöds av Microsoft att börja testa viktiga delar av dess qubit-design, efter en ritning som utvecklats av ett utomhusmattegeni. Om dessa tester fungerar kan ett företag som allmänt anses ha fastnat i datorernas förflutna låsa upp sin framtid.

Ännu främmande: en fysiker vid det mytomspunna men bleka Bell Labs kanske kommer dit först.

Uppbunden i knop

I ett soligt rum 100 meter från Stilla havet erkänner Michael Freedman, initiativtagaren och tekniska hjärnan bakom Microsofts projekt, att han känner sig underlägsen. När man börjar fundera på kvantberäkning inser man att man själv är någon sorts klumpig kemisk analog dator, säger han. Freedman, som är 63, är chef för Station Q, Microsofts forskningsgrupp som leder arbetet med att skapa en topologisk qubit, som arbetar från ett dussintal kontor på campus vid University of California, Santa Barbara. Fit och solbränd har han damm på skorna från att gå längs en strandstig till lunch.

Om hans sinne är en klumpig kemisk dator, är det en extraordinär sådan. Ett matematiskt underbarn som började på UC Berkeley vid en ålder av 16 och gymnasiet två år senare, Freedman var 30 när han löste en version av ett av de mest långvariga problemen inom matematiken, Poincaré gissningar . Han utarbetade det utan att skriva ner något och visualiserade förvrängningen av fyrdimensionella former i hans huvud. Jag hade sett mig igenom argumentet, minns Freedman. När han översatte den inre visionen till ett 95-sidigt bevis, fick den Fields-medaljen, den högsta utmärkelsen i matematik.

Det cementerade Freedmans ställning som ett ledande ljus inom topologi, disciplinen som handlar om egenskaper hos former som inte förändras när dessa former förvrängs. (Ett gammalt skämt säger att topologer inte kan skilja en kaffekopp från en munk – båda är ytor som punkteras av ett enda hål.) Men han drogs in i fysiken 1988 efter att en kollega upptäckt ett samband mellan en del av matematiken som beskriver topologi av knop och en teori som förklarar vissa kvantfenomen. Det var en vacker sak, säger Freedman. Han såg omedelbart att denna anslutning kunde tillåta en maskin som styrs av samma kvantfysik att lösa problem för svårt för konventionella datorer. Okunnig om att konceptet med kvantberäkning redan fanns, hade han självständigt återuppfunnit det.

Freedman fortsatte att arbeta med den idén och 1997 gick han med i Microsofts forskargrupp om teoretisk matematik. Strax efter slog han sig ihop med en rysk teoretisk fysiker, Alexei Kitaev, som hade bevisat att en topologisk qubit bildad av samma fysik kunde vara mycket mer tillförlitlig än qubits som andra grupper byggde. Freedman började så småningom känna att han var inne på något som förtjänade uppmärksamhet bortom hans sällsynta värld av djup matematik och fysik. 2004 dök han upp på Craig Mundies kontor och meddelade att han såg ett sätt att bygga en qubit som är pålitlig nog att skala upp. Det slutade med att jag gjorde en pitch, säger Freedman. Det såg ut som att om du ville börja bygga tekniken så kunde du det.

Mundie köpte den. Även om Microsoft inte hade försökt utveckla kvantdatorer, visste han om deras anmärkningsvärda potential och de långsamma framsteg som hade gjorts mot att bygga dem. Jag blev direkt fascinerad av tanken på att det kanske fanns ett helt annat förhållningssätt, säger han. En sådan form av beräkning skulle troligen visa sig vara grunden för en transformation som liknar vad klassisk datoranvändning har gjort för planeten under de senaste 60 åren. Han satte upp ett försök att skapa den topologiska qubiten, med en lite nervös Freedman vid rodret. Aldrig i mitt liv hade jag ens byggt en transistorradio, säger Freedman.

Avlägsen dröm

På vissa sätt skulle en kvantdator inte vara så olik en konventionell. Båda handlar om bitar av data representerade i binär form. Och båda typerna av maskiner består av grundläggande enheter som representerar bitar genom att växla mellan olika tillstånd som en switch. I en konventionell dator kan varje liten transistor på ett chip antingen vändas av för att beteckna en 0 eller på för en ett . Men på grund av kvantfysikens konstiga regler, som styr materiens och energins beteende i extremt små skalor, kan qubits utföra trick som gör dem oerhört kraftfulla. En qubit kan gå in i ett kvanttillstånd som kallas superposition, vilket effektivt representerar 0 och ett på samma gång. Väl i ett superpositionstillstånd kan qubits bli länkade eller intrasslade på ett sätt som innebär att varje operation som påverkar en omedelbart ändrar en annans öde. På grund av överlagring och intrassling kan en enda operation i en kvantdator utföra delar av en beräkning som skulle ta många, många fler operationer för ett ekvivalent antal vanliga bitar. En kvantdator kan i princip utforska ett stort antal möjliga beräkningsvägar parallellt. För vissa typer av problem växer en kvantdators fördel gentemot en konventionell exponentiellt med mängden data som ska krossas. Deras kraft är fortfarande en häpnad för mig, säger Raymond Laflamme , verkställande direktör för Institutet för Quantum Computing vid University of Waterloo, i Ontario. De förändrar grunden för datavetenskap och vad vi menar med vad som är beräkningsbart.

Under nästa år eller så kommer fysiklabb som stöds av Microsoft att börja testa dess qubit-design.

Men rena kvanttillstånd är mycket ömtåliga och kan endast observeras och kontrolleras under noggrant utarbetade omständigheter. För att en superposition ska vara stabil måste qubiten vara avskärmad från till synes trivialt brus som slumpmässiga stötar från subatomära partiklar eller svaga elektriska fält från närliggande elektronik. De två bästa ström-qubit-teknologierna representerar bitar i de magnetiska egenskaperna hos individuella laddade atomer fångade i magnetfält eller som den lilla strömmen inuti kretsar av supraledande metall. De kan bevara superpositioner i högst bråkdelar av en sekund innan de kollapsar i en process som kallas dekoherens. Det största antalet qubits som har opererats tillsammans är bara sju.

Sedan 2009 har Google testat en maskin som marknadsförs av startupen D-Wave Systems som världens första kommersiella kvantdator, och 2013 köpte man en version av maskinen som har 512 qubits. Men dessa qubits är fastanslutna till en krets för en viss algoritm, vilket begränsar antalet problem som de kan arbeta med. Om det lyckas, skulle detta tillvägagångssätt skapa kvantberäkningsmotsvarigheten till en tång – ett användbart verktyg som bara lämpar sig för vissa uppgifter. Det konventionella tillvägagångssättet som Microsoft tillämpar erbjuder en helt programmerbar dator – motsvarande en komplett verktygslåda. Och dessutom har oberoende forskare inte kunnat bekräfta att D-Waves maskin verkligen fungerar som en kvantdator. Google startade nyligen sitt eget hårdvarulabb för att försöka skapa en version av tekniken som levererar.

Sökandet efter sätt att bekämpa dekoherens och de fel det introducerar i beräkningar har kommit att dominera området för kvantberäkning. För att en qubit verkligen ska vara skalbar, skulle den antagligen behöva bryta samman av misstag bara en gång på en miljon operationer, säger Chris Monroe , professor vid University of Maryland och medledare för a kvantberäkningsprojekt finansieras av Department of Defense och Intelligence Advanced Research Projects Activity. Idag dekoherar de bästa qubitarna vanligtvis tusentals gånger så ofta.

Microsofts Station Q kan ha ett bättre tillvägagångssätt. Kvanttillstånden som lockade Freedman in i fysiken - som uppstår när elektroner fångas i ett plan inuti vissa material - borde ge den stabilitet som en qubitbyggare längtar efter, eftersom de naturligt är döva för mycket av det brus som destabiliserar konventionella qubits. Inuti dessa material antar elektroner konstiga egenskaper vid temperaturer nära absolut noll, och bildar så kallade elektronvätskor. Elektronvätskornas kollektiva kvantegenskaper kan användas för att beteckna lite. Designens elegans, tillsammans med bidrag av pengar, utrustning och datortid, har lockat några av världens ledande fysikforskare att samarbeta med Microsoft. (Företaget kommer inte att säga vilken del av dess årliga FoU-utgifter på 11 miljarder dollar som går till projektet.)

Haken är att fysiken förblir obevisad. För att använda elektronvätskors kvantegenskaper som bitar, måste forskare manipulera vissa partiklar inuti dem, kända som icke-abeliska anyoner, så att de loopar runt varandra. Och även om fysiker förväntar sig att icke-abeliaska någon existerar, har ingen definitivt upptäckts.

Majorana-partiklar, den typ av icke-abeliska alla som Station Q och dess medarbetare söker, är särskilt svårfångade. Först förutspåddes av den tillbakadragna italienska fysikern Ettore Majorana 1937, inte långt innan han mystiskt försvann, de har fängslat fysiker i decennier eftersom de har den unika egenskapen att vara sina egna antipartiklar, så om två någonsin möts så förintar de varandra i ett nafs av energi.

Ingen hade rapporterat trovärdiga bevis för att de existerade förrän 2012, när Leo Kouwenhoven vid Delft University of Technology i Nederländerna, som hade fått finansiering och vägledning från Microsoft, meddelade att han hittat dem inuti nanotrådar gjorda av halvledaren indiumantimonid. Han hade skapat rätt typ av elektronvätska genom att koppla nanotråden till en bit supraledande elektrod i ena änden och en vanlig i den andra. Det erbjöd det starkaste stödet hittills för Microsofts design. Fyndet har gett oss ett enormt förtroende för att vi verkligen är inne på något, säger Microsofts Lee. Kouwenhovens grupp och andra labb försöker nu förfina resultaten av experimentet och visa att partiklarna kan manipuleras. För att påskynda framstegen och sätta scenen för eventuell massproduktion har Microsoft börjat arbeta med industriföretag för att säkra leveranser av halvledarnanotrådar och den supraledande elektronik som skulle behövas för att kontrollera en topologisk qubit.

Trots allt det har Microsoft ännu inte sin qubit. Ett sätt måste hittas för att flytta Majorana-partiklar runt varandra i den operation som behövs för att skriva motsvarigheten till 0 s och ett s. Materialforskare vid Niels Bohr Institutet i Köpenhamn hittade nyligen ett sätt att bygga nanotrådar med sidogrenar, som kan tillåta en partikel att duka åt sidan medan en annan passerar. Charlie Marcus, en forskare där som har arbetat med Microsoft sedan dess första design, förbereder sig nu för att bygga ett fungerande system med de nya ledningarna. Jag skulle säga att det kommer att hålla oss sysselsatta nästa år, säger han.

Framgång skulle validera Microsofts qubit-design och sätta stopp för de senaste förslagen om att Kouwenhoven kanske inte har upptäckt Majorana-partikeln 2012 trots allt. Men John Preskill, professor i teoretisk fysik vid Caltech, säger att den topologiska qubiten inte förblir något annat än en trevlig teori. Jag är väldigt förtjust i idén, men efter några års seriösa ansträngningar finns det fortfarande inga säkra bevis, säger han.

Bob Willetts kvantberäkningsforskning vid Bell Labs visar lovande.

Konkurrensfysik

På Bell Labs i New Jersey säger Bob Willett att han har sett bevisen. Han kikar över sina glasögon på en matt svart kristallrektangel lika stor som en fingertopp. Den har handlödda trådar runt kanterna och fina sicksackar av aluminium på ytan. Och i mitten av chipet, i ett område som är mindre än en mikrometer tvärs över, rapporterar Willett att han upptäcker icke-abelska vem som helst. Om han har rätt är Willett längre fram än någon annan som arbetar med Microsoft. Och i sin serie av små, slitna laboratorier förbereder han sig nu för att bygga vad – om det fungerar – kommer att bli världens första topologiska qubit. Vi gör övergången från vetenskap till teknik nu, säger han. Hans insats har historiska ekon. Nedför korridoren från hans labb finns en glasmonter med den första transistorn inuti, tillverkad på denna plats 1947.

Willetts enhet är en version av en design som Microsoft mest har gett upp. När företagets projekt började hade Freedman och hans medarbetare bestämt att det borde vara möjligt att bygga en topologisk qubit med hjälp av kristaller av ultraren galliumarsenid som fångar elektroner. Men under fyra års experiment hittade fysiklabben som stöddes av Microsoft inga avgörande bevis för icke-abelianska någon. Willett hade arbetat med liknande fysik i flera år, och efter att ha läst en artikel från Freedman om designen, bestämde han sig för att prova själv. I en serie artiklar publicerade mellan 2009 och 2013 rapporterade han att han hittade dessa avgörande partiklar i sina egna kristallbaserade enheter. När en kristall kyls med flytande helium till mindre än 1 Kelvin (−272,15 °C) och utsätts för ett magnetfält, bildas en elektronvätska i dess centrum. Willett använder elektroder för att strömma partiklarna runt dess kant; om de är icke-abeliska vem som helst som loopar runt sina motsvarigheter i mitten, bör de ändra det topologiska tillståndet för elektronvätskan som helhet. Han har publicerat resultat från flera olika experiment där han såg avslöjande vinglar, som teoretiker hade förutspått, i strömmen av dessa flödande partiklar. Han har nu gått vidare till att bygga en qubit-design. Det är inte mycket mer komplicerat än hans första experiment: bara två av samma kretsar placerade rygg mot rygg på samma kristall, med extra elektroder som länkar samman elektronvätskor och kan koda och läsa ut kvanttillstånd som motsvarar motsvarigheten till 0 s och ett s.

Willett hoppas att enheten kommer att dämpa skepticism om hans resultat, som ingen annan har kunnat replikera. Microsofts samarbetspartner Charlie Marcus säger att Willett såg signaler som vi inte såg. Willett menar att Marcus och andra har gjort sina enheter för stora och använt kristaller med viktiga skillnader i deras egenskaper. Han säger att han nyligen bekräftade det genom att testa vissa enheter som gjorts enligt de specifikationer som används av andra forskare. Efter att ha arbetat med materialen de jobbar med kan jag förstå varför de slutade göra det, för det är jobbigt, säger han.

En av kristallerna som Willett säger att han har upptäckt topologiska qubits på.

Bell Labs, som nu ägs av det franska telekommunikationsföretaget Alcatel-Lucent, är mindre och fattigare än det var när AT&T, obestridt som det amerikanska telefonmonopolet, lät många forskare göra i stort sett vad de ville. Några av Willetts rum har utsikt över den dammiga, ärrade marken som lämnades när en hel flygel av labbet revs i år. Men med färre människor i närheten än labben hade för länge sedan, är det lättare att få tillgång till den utrustning han behöver, säger han. Och Alcatel har börjat investera mer i sitt projekt. Willett brukade arbeta med bara tre andra fysiker, men nyligen började han också samarbeta med matematiker och optikexperter. Bell Labs ledning har frågat om vilka typer av problem som kan lösas med ett litet antal qubits. Det expanderar till en relativt stor satsning, säger han.

Willett ser sig själv som en akademisk kollega till Microsofts forskare snarare än en företagskonkurrent, och han blir fortfarande inbjuden till Freedmans två gånger årliga symposier som tar Microsofts medarbetare och andra ledande fysiker till Santa Barbara. Men Microsofts ledning har varit mer uppenbar vid de senaste mötena, säger Willett, och han har ibland känt att hans varande från ett annat företag gjort det jobbigt.

Det skulle vara mer än bara besvärligt om Willett slog Microsoft för att bevisa att idén den har förespråkat kan fungera. För Microsoft att öppna upp en praktisk väg till kvantberäkning skulle vara överraskande. För de vissnade Bell Labs, som ägs av ett företag som inte ens är i datorbranschen, skulle det vara häpnadsväckande.

Kvantkod

På Microsofts lummiga campus i Redmond, Washington, sliter tusentals mjukvaruingenjörer för att fixa buggar och lägga till funktioner till Windows och Microsoft Office. Turister poserar i företagets museum för foton med en utskärning i naturlig storlek av en Bill Gates från 1978 och hans första anställda. I forskningsbyggnadens huvudbyggnad leder Krysta Svore ett dussin personer som arbetar med mjukvara för datorer som kanske aldrig kommer att existera. Teamet håller på att ta reda på vad den första generationen kvantdatorer kan göra för oss.

Gruppen bildades för att även om kvantdatorer skulle vara kraftfulla, kan de inte lösa alla problem. Och bara en handfull kvantalgoritmer har utvecklats tillräckligt detaljerat för att antyda att de skulle kunna vara praktiska på riktig hårdvara. Quantum computing är möjligen väldigt störande, men vi måste förstå var kraften finns, säger Svore.

Vi tror att det finns en chans att göra något som kan vara grunden för en helt ny ekonomi.

Ingen kvantdator kommer någonsin att få plats i din ficka, på grund av hur qubits behöver underkylas (såvida inte, naturligtvis, någon använder en kvantdator för att designa en bättre qubit). Snarare skulle de användas som datacenter eller superdatorer för att driva tjänster över Internet eller för att lösa problem som gör att andra tekniker kan förbättras. En lovande idé är att använda kvantdatorer för superdrivna kemisimuleringar som kan påskynda framstegen med stora problem inom områden som hälsa eller energi. En kvantdator skulle kunna simulera verkligheten så exakt att den kan ersätta åratal av plågsamt labbarbete, säger Svore. Idag är ungefär en tredjedel av USA:s superdatortid tillägnad simuleringar för kemi eller materialvetenskap, enligt Department of Energy. Svores grupp har utvecklat en algoritm som skulle låta även en första generationens kvantdator hantera mycket mer komplexa problem, som att praktiskt taget testa en katalysator för att ta bort koldioxid från atmosfären, på bara timmar eller minuter. Det är en potentiell mördarapplikation av kvantdatorer, säger hon.

Men det är möjligt att föreställa sig otaliga andra mördande applikationer. Svores grupp har tagit fram några av de första bevisen på att kvantdatorer kan användas för maskininlärning, en teknik som blir allt mer central för Microsoft och dess rivaler. De senaste framstegen inom bild- och taligenkänning har utlöst en frenesi av ny forskning inom artificiell intelligens. Men de förlitar sig på kluster av tusentals datorer som arbetar tillsammans, och resultaten ligger fortfarande långt efter mänskliga förmågor. Kvantdatorer kan övervinna teknikens begränsningar.

Arbete som det hjälper till att förklara hur det första företaget som bygger en kvantdator kan få en praktiskt taget aldrig tidigare skådad fördel i teknikens historia. Vi tror att det finns en chans att göra något som kan vara grunden för en helt ny ekonomi, säger Microsofts Peter Lee. Som du kan förvänta dig säger han och alla andra som arbetar med kvanthårdvara att de är optimistiska. Men med så mycket kvar att göra känns priset lika avlägset som alltid. Det är som om qubit-tekniken är i en superposition mellan att förändra världen och att desammans till inget annat än en serie obskyra forskningsartiklar. Det är den sortens obegripliga som människor som arbetar med kvantteknologi måste hantera varje dag. Men med en så stor utdelning, vem kan klandra dem för att de tar en smäll?

Den här historien uppdaterades den 10 oktober för att ta bort en felaktig referens till en byst av Thomas Edison.

Dölj