Nyckeln till mer kraftfulla kvantdatorer kan vara att bygga dem som Legos

Aluminiummoduler från Quantum Circuits. Med tillstånd av Quantum Circuits

Besök alla start- eller universitetslabb där kvantdatorer byggs, och det är som att gå in i en tidsförskjutning till 1960-talet – stordatordatorns storhetstid, när små arméer av tekniker betjänade maskiner som kunde fylla hela rum.

All slags utrustning, från superexakta lasrar till underkylda kylskåp, behövs för att utnyttja kvantmekanikens exotiska krafter för uppgiften att bearbeta data. Kablar som förbinder olika redskap bildar mångfärgad spagetti som rinner över golv och går över tak. Fysiker och ingenjörer myllrar runt skärmar och övervakar och justerar ständigt datorernas prestanda.

Stordatorer inledde informationsrevolutionen, och förhoppningen är att kvantdatorer också kommer att visa sig vara spelväxlare. Deras enorma processorkraft lovar att överträffa den hos även de mest kapabla konventionella superdatorerna, och potentiellt leverera framsteg inom allt från läkemedelsupptäckt till materialvetenskap och artificiell intelligens.

Den stora utmaningen som den begynnande industrin står inför är att skapa maskiner som kan skalas upp både pålitligt och relativt billigt. Det är svårt att generera och hantera kvantbitarna, eller qubits, som bär information i datorerna. Även de minsta vibrationer eller temperaturförändringar – fenomen som kallas brus i kvantjargong – kan få qubits att förlora sitt ömtåliga kvanttillstånd. Och när det händer smyger sig fel in i beräkningar.

Det vanligaste svaret har varit att skapa kvantdatorer med så många qubits som möjligt på ett enda chip. Om vissa qubits misslyckas, kan andra som håller kopior av informationen anlitas som säkerhetskopior av algoritmer utvecklade för att upptäcka och minimera fel. Strategin, som har förespråkats av stora företag som IBM och Google, såväl som av högprofilerade startups som Rigetti Computing , har skapat komplexa maskiner som föreställer dessa rumstora stordatorer.

Problemet är att felfrekvensen är extrem. Dagens största chips har färre än hundra qubits, men tusentals eller till och med tiotusentals kan behövas för att producera samma resultat som en enda felfri qubit. Varje qubit behöver sin egen styrledning, så ju fler som läggs till, desto mer komplext blir ett system att hantera. Mer utrustning kommer också att behövas för att övervaka och hantera snabbt växande qubit-antal. Det kan öka komplexiteten och kostnaderna för datorerna dramatiskt, vilket begränsar deras tilltalande.

Robert Schoelkopf, professor vid Yale, tror att det finns en bättre väg framåt. Istället för att försöka klämma in allt fler qubits på ett enda chip, utvecklar Quantum Circuits, en startup som han var med och grundade 2017, vad som motsvarar minikvantmaskiner. Dessa kan kopplas samman via specialiserade gränssnitt, lite som väldigt högteknologiska legoklossar. Schoelkopf säger att detta tillvägagångssätt hjälper till att producera lägre felfrekvenser, så färre qubits – och därför mindre stödjande hårdvara – kommer att behövas för att skapa kraftfulla kvantmaskiner.

Robert Schoelkopf i labbet på Quantum Circuits New Haven-kontor. Julie Bidwell

Skeptiker påpekar att till skillnad från konkurrenter som IBM, har Quantum Circuits ännu inte offentligt avslöjat en fungerande dator. Men om det kan leverera en som lever upp till Schoelkopfs påståenden, kan det hjälpa till att ta ut kvantberäkningar från laboratorier och in i den kommersiella världen mycket snabbare.

Drivkraften för att skapa mer långvariga qubits

Idén att bulta ihop mindre kvantbyggstenar för att skapa större datorer har funnits i flera år, men den har aldrig riktigt fångat sig. Det har inte funnits en bra, feltolerant maskin som ännu har byggts med den modulära metoden, förklarar Jerry Chow, som leder det experimentella kvantberäkningsteamet på IBM Research. Ändå, tillägger Chow, om någon kan klara det så är det Schoelkopf och hans kollegor.

Efter att ha utbildat sig till ingenjör och fysiker, bland annat vid NASA och Caltech, började Schoelkopf på Yales fakultet 1998 och började arbeta med kvantberäkningar. Han och hans kollegor var banbrytande för användningen av supraledande kretsar på ett chip för att skapa qubits. Genom att pumpa elektrisk ström genom specialiserade mikrochips som hålls inuti kylskåp som är kallare än djupa rymden, kan de locka in partiklar till kvanttillstånden som är nyckeln till datorernas enorma kraft.

Till skillnad från bitar i vanliga datorer, som är strömmar av elektriska eller optiska pulser som representerar antingen en ett eller a 0 , qubits är subatomära partiklar som fotoner eller elektroner som kan vara i en slags kombination av båda ett och 0 – ett fenomen som kallas superposition. Qubits kan också bli intrasslade med varandra, vilket innebär att en förändring i ens tillstånd omedelbart kan förändra andras tillstånd även när det inte finns någon fysisk koppling mellan dem.

Ett vakuumsystem som används för att skapa supraledande kretsar. Julie Bidwell

Det finns mer bakgrund om detta i vår quantum computing-förklaring. Det viktigaste att veta är dock att detta tillåter qubits att agera som om de utför många beräkningar samtidigt som en vanlig dator skulle behöva utföra sekventiellt. Vilket innebär att lägga till ytterligare qubits till en kvantmaskin ökar dess bearbetningskapacitet exponentiellt.

Schoelkopf har också vunnit beröm för sitt arbete med problemet med buller. Koherenstiderna för qubits – det vill säga hur länge de kan köra beräkningar innan brus stör deras känsliga kvanttillstånd – har förbättrats med en faktor 10 ungefär vart tredje år. (Forskare har kallat denna trend Schoelkopfs lag i en nick till klassisk dators Moores lag, som säger att antalet transistorer på ett kiselchip fördubblas ungefär vartannat år.) Brendan Dickinson från Canaan Partners, en av Quantum Circuits investerare, säger Schoelkopf's imponerande meritlista inom supraledande qubits är en av de främsta anledningarna till att de beslutade sig för att stödja verksamheten, som hittills har samlat in 18 miljoner dollar.

Ironiskt nog är några av studenterna som mentorats av Schoelkopf och hans medgrundare från Yale, Michel Devoret och Luigi Frunzio, nu på företag som IBM och Rigetti som konkurrerar med deras startup. Schoelkopf är helt klart stolt över kvantdiasporan som har kommit ut från Yale-labbet. Han berättade att han för några år sedan hade tittat på alla organisationer runt om i världen som arbetade med supraledande qubits och upptäckt att mer än hälften av dem drevs av människor som tillbringat tid där. Men han tror också att ett slags grupptänkande har satt in.

Fördelarna med modulära maskiner

De flesta forskare som arbetar med supraledande maskiner fokuserar på att skapa så många qubits som möjligt på ett enda chip. Quantum Circuits tillvägagångssätt skiljer sig mycket från den standarden. Kärnan i dess system är en liten aluminiummodul som innehåller supraledande kretsar som är gjorda på kisel- eller safirchips. Varje modul innehåller vad som uppgår till fem till 10 qubits.

För att koppla ihop dessa moduler till större datorer använder företaget vad som låter som något ur Star Trek — kvantteleportation. Det är en metod som har utvecklats för att skicka data över saker som telekomnätverk. Grundidén går ut på att trassla in en mikrovågsfoton i en modul med en foton i en annan och sedan använda länken mellan dem som en brygga för att överföra data. (Vi har också en förklaring av kvantteleportation.) Quantum Circuits har använt detta tillvägagångssätt för att teleportera en kvantversion av en logisk grind mellan dess moduler.

Schoelkopf säger att det finns flera anledningar till att nätverksmoduler tillsammans är bättre än att stoppa in så många qubits som möjligt på ett enda chip. Den mindre skalan på varje enhet gör det lättare att styra systemet och att tillämpa felkorrigeringstekniker. Dessutom, om vissa qubits går överstyr i en enskild modul, kan enheten tas bort eller isoleras utan att påverka andra som är kopplade till den; om de alla är på ett enda chip, kanske hela grejen måste skrotas.

En wafer som används för att skapa qubits i Quantum Circuits datorer. Julie Bidwell

När vi blickar framåt kommer Quantum Circuits modulära maskiner fortfarande att behöva en del av samma utrustning som rivaliserande, inklusive superkylningskylskåp och övervakningsutrustning. Men när de skalas, borde de inte kräva i närheten av samma typ av styrledningar och andra tillbehör som behövs för att bemästra individuella qubits. Så även om rivaliserande enheter kunde se allt mer ut som de där massiva tidiga stordatorerna, borde startupens maskiner förbli liknande de tunnade som såg ut som konventionella datorer avancerade in på 1970-talet och framåt.

När jag lyssnade på Schoelkopf prata genom tekniken, smög sig en bild in i mitt huvud: mina barn lekte med legoklossar i plast när de var unga och slog ihop dem för att bygga slott och fort.

När jag föreslog jämförelsen var Schoelkopf till en början lite försiktig men blev sedan ganska entusiastisk. I allmänhet är varje komplex enhet jag känner, sa han, baserad på att ha motsvarigheten till legoklossar, och du definierar gränssnitten och hur de passar ihop ... [Lego-klossar] är riktigt billiga. De kan masstillverkas. Och de kopplar alltid ihop på rätt sätt.

Schoelkopfs kvantmoduler har en annan viktig fördel. Var och en innehåller en tredimensionell hålighet som fångar ett antal mikrovågsfotoner. Dessa bildar vad som kallas qudits, och de är som qubits, förutom att de lagrar mer information. Medan en qubit representerar en kombination av ett och 0 , en qudit kan existera i mer än två tillstånd—säg, 0 , ett , och två på samma gång. Kvantdatorer med qudits kan gå igenom ännu mer information samtidigt.

Forskare har experimenterat med qudits under en tid, men de är svåra att generera och kontrollera. Schoelkopf säger att Quantum Circuits har hittat sätt att skapa högkvalitativa sådana konsekvent och att minska felen avsevärt. (Företaget hävdar att det har uppnått koherenstider med sina kaviteter som är tio till 100 gånger längre än för supraledande qubits, vilket gör det lättare att korrigera fel.) Vissa qubits behövs fortfarande för att utföra operationer på qudits och för att extrahera information från dem , men hans tillvägagångssätt kräver färre av dessa qubits. Det betyder i sin tur att mindre hårdvara behövs totalt sett.

Quantum computing är ett vidöppet fält

Interiör i ett Quantum Circuits utspädningskylskåp. Med tillstånd av Quantum Circuits

Quantum Circuits tillvägagångssätt låter övertygande, men Schoelkopf vägrar att säga exakt när företaget kommer att presentera en fullt fungerande dator. Han kommer inte heller att avslöja hur många qubits och qudits hans team har lyckats få att arbeta tillsammans totalt.

Ju längre tid det tar, desto mer riskerar hans startup att hamna i skuggan av sina rivaler. IBM och Rigetti ger redan företag och forskare tillgång till sina kvantdatorer via datormolnet, och det ryktas att Google är nära att vara först med att uppnå kvantöverhöghet — eller punkten då en kvantdator kan utföra en uppgift utom räckhåll till och med den mest kraftfulla konventionella superdatorn.

Schoelkopf säger att organisationer som vill prova algoritmer på Quantum Circuits system kommer att kunna göra det mycket snart, och att det någon gång kommer att ansluta maskiner till molnet som IBM och Rigetti har gjort. Starten är inte bara att bygga datorer; det arbetar också med mjukvara som hjälper användare att få ut det mesta av den underliggande hårdvaran.

Dessutom är det tidiga dagar. De kvantalgoritmer som körs på molntjänster som IBMs idag är fortfarande ganska grundläggande, konstaterar Schoelkopf. Fältet är vidöppet för kvantdatorer och tillhörande programvara som verkligen kan göra skillnad inom ett brett spektrum av områden, från turboladdande tillämpningar för artificiell intelligens till modellering av molekyler för kemister.

Många frågor kvarstår. Kommer Quantum Circuits att kunna fortsätta producera robusta qubits och qudits när de bygger mycket större maskiner? Kan den få sin kvantteleporteringsmetod att fungera tillförlitligt eftersom den kopplar ihop fler moduler? Och kommer dess system, när de rullas ut för försäljning, vara mer kostnadseffektiva att använda än konkurrenternas? Betydande fysik- och ingenjörsutmaningar ligger fortfarande framför oss. Men om Schoelkopf och hans kollegor kan övervinna dem kan de bevisa att nyckeln till att bli väldigt stora inom kvantberäkning är att tänka litet.

Dölj