Seriösa kvantdatorer är äntligen här. Vad ska vi göra med dem?

Jeremy Liebman

Inne i ett litet laboratorium på den frodiga landsbygden cirka 50 mil norr om New York City dinglar en utstuderad härva av rör och elektronik från taket. Denna röra av utrustning är en dator. Inte vilken dator som helst, utan en på gränsen till att passera vad som kanske kan bli en av de viktigaste milstolparna i områdets historia.

Kvantdatorer lovar att köra beräkningar långt utom räckhåll för någon konventionell superdator. De kan revolutionera upptäckten av nya material genom att göra det möjligt att simulera materiens beteende ner till atomnivå. Eller så kan de häva kryptografi och säkerhet genom att knäcka annars oövervinnerliga koder. Det finns till och med hopp om att de kommer att förstärka artificiell intelligens genom att bryta igenom data mer effektivt.

Den här berättelsen var en del av vårt marsnummer 2018

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men först nu, efter decennier av gradvisa framsteg, är forskare äntligen nära att bygga kvantdatorer som är kraftfulla nog att göra saker som konventionella datorer inte kan. Det är ett landmärke som något teatraliskt kallat kvantöverlägsenhet. Google har lett satsningen mot denna milstolpe, medan Intel och Microsoft också har betydande kvantinsatser. Och så finns det välfinansierade startups inklusive Rigetti Computing, IonQ och Quantum Circuits.

Naturen är kvant, för helvete! Så om vi vill simulera det behöver vi en kvantdator.

Ingen annan utmanare kan dock matcha IBM:s stamtavla på detta område. Från och med 50 år sedan, producerade företaget framsteg inom materialvetenskap som lade grunden till datorrevolutionen. Det är därför jag i oktober förra året befann mig på IBMs Thomas J. Watson Research Center för att försöka svara på dessa frågor: Vad, om något, kommer en kvantdator att vara bra för? Och kan en praktisk, pålitlig en ens byggas?

Varför vi tror att vi behöver en kvantdator

Forskningscentret, beläget i Yorktown Heights, ser lite ut som ett flygande tefat som man föreställde sig 1961. Det designades av den nyfuturistiska arkitekten Eero Saarinen och byggdes under IBM:s storhetstid som tillverkare av stora stordatorföretagsmaskiner. IBM var världens största datorföretag och inom ett decennium efter att forskningscentret byggdes hade det blivit världens femte största företag av något slag, precis efter Ford och General Electric.

Medan byggnadens korridorer ser ut mot landskapet är designen sådan att inget av kontoren inuti har några fönster. Det var i ett av dessa klosterrum jag träffade Charles Bennett. Nu i 70-årsåldern har han stora vita polisonger, bär svarta strumpor med sandaler och har till och med ett fickskydd med pennor i. Omgiven av gamla datorskärmar, kemimodeller och, konstigt nog, en liten discokula, mindes han kvantdatorns födelse som om det vore igår.

Charles Bennett från IBM Research är en av grundarna till kvantinformationsteorin. Hans arbete på IBM hjälpte till att skapa en teoretisk grund för kvantberäkning. bartek sadowski

När Bennett anslöt sig till IBM 1972 var kvantfysiken redan ett halvt sekel gammal, men beräkningen förlitade sig fortfarande på klassisk fysik och den matematiska informationsteori som Claude Shannon hade utvecklat vid MIT på 1950-talet. Det var Shannon som definierade mängden information i termer av antalet bitar (en term som han populariserade men inte myntade) som krävs för att lagra den. De där bitarna 0 s och ett s av binär kod, är grunden för all konventionell beräkning.

Ett år efter ankomsten till Yorktown Heights hjälpte Bennett till att lägga grunden för en kvantinformationsteori som skulle utmana allt detta. Den förlitar sig på att utnyttja det märkliga beteendet hos föremål på atomär skala. Vid den storleken kan en partikel existera ovanpå varandra i många tillstånd (t.ex. många olika positioner) samtidigt. Två partiklar kan också uppvisa intrassling, så att förändring av tillståndet hos den ena kan omedelbart påverka den andra.

Bennett och andra insåg att vissa typer av beräkningar som är exponentiellt tidskrävande, eller till och med omöjliga, kunde utföras effektivt med hjälp av kvantfenomen. En kvantdator skulle lagra information i kvantbitar eller kvantbitar. Qubits kan existera i superpositioner av ett och 0 , och entanglement och ett trick som kallas interferens kan användas för att hitta lösningen på en beräkning över ett exponentiellt stort antal tillstånd. Det är irriterande svårt att jämföra kvantdatorer och klassiska datorer, men grovt sett skulle en kvantdator med bara några hundra kvantbitar kunna utföra fler beräkningar samtidigt än vad det finns atomer i det kända universum.

Sommaren 1981 anordnade IBM och MIT ett landmärkeshändelse kallat First Conference on the Physics of Computation. Det ägde rum på Endicott House, en herrgård i fransk stil inte långt från MIT campus.

På ett foto som Bennett tog under konferensen syns flera av de mest inflytelserika figurerna från beräknings- och kvantfysikens historia på gräsmattan, inklusive Konrad Zuse, som utvecklade den första programmerbara datorn, och Richard Feynman, en viktig bidragsgivare till kvantteorin. Feynman höll konferensens huvudtal, där han tog upp idén om att använda kvanteffekter. Den största ökningen som kvantinformationsteorin fick var från Feynman, berättade Bennett för mig. Han sa: 'Naturen är kvant, för helvete! Så om vi vill simulera det behöver vi en kvantdator.'

IBM:s kvantdator – en av de mest lovande som finns – ligger precis i korridoren från Bennetts kontor. Maskinen är designad för att skapa och manipulera det väsentliga elementet i en kvantdator: qubits som lagrar information.

I det här labbet på IBM finns kvantmaskiner anslutna till molnet. jeremy liebman

Gapet mellan drömmen och verkligheten

IBM-maskinen utnyttjar kvantfenomen som uppstår i supraledande material. Till exempel kommer ström ibland att flyta medurs och moturs samtidigt. IBMs dator använder supraledande kretsar där två distinkta elektromagnetiska energitillstånd utgör en qubit.

Den supraledande metoden har viktiga fördelar. Hårdvaran kan tillverkas med väletablerade tillverkningsmetoder och en konventionell dator kan användas för att styra systemet. Qubits i en supraledande krets är också lättare att manipulera och mindre känsliga än enskilda fotoner eller joner.

Inuti IBM:s kvantlabb arbetar ingenjörer på en version av datorn med 50 qubits. Du kan köra en simulering av en enkel kvantdator på en vanlig dator, men vid cirka 50 qubits blir det nästan omöjligt. Det betyder att IBM teoretiskt närmar sig den punkt där en kvantdator kan lösa problem som en klassisk dator inte kan: med andra ord, kvantöverhöghet.

Men som IBM:s forskare kommer att berätta är kvantöverlägsenhet ett svårfångat koncept. Du skulle behöva alla 50 qubits för att fungera perfekt, när kvantdatorer i verkligheten är behäftade med fel som måste korrigeras för. Det är också djävulskt svårt att upprätthålla qubits hur länge som helst; de tenderar att bryta samman, eller förlora sin känsliga kvantnatur, ungefär som en rökring går sönder vid minsta luftström. Och ju fler qubits, desto svårare blir båda utmaningarna.

Om du hade 50 eller 100 qubits och de verkligen fungerade tillräckligt bra och var helt felkorrigerade – du skulle kunna göra outgrundliga beräkningar som inte kan replikeras på någon klassisk maskin, nu eller någonsin, säger Robert Schoelkopf, professor och grundare från Yale av ett företag som heter Quantum Circuits. Baksidan av kvantberäkning är att det finns exponentiella sätt för det att gå fel.

Chipsen inuti IBM:s kvantdator (i botten) kyls till 15 millikelvin. jeremy liebman

En annan anledning till försiktighet är att det inte är uppenbart hur användbar även en perfekt fungerande kvantdator skulle vara. Det påskyndar inte bara någon uppgift du kastar på den; i själva verket, för många beräkningar, skulle det faktiskt vara långsammare än klassiska maskiner. Endast en handfull algoritmer har hittills utarbetats där en kvantdator helt klart skulle ha en fördel. Och även för dem kan den kanten vara kortlivad. Den mest kända kvantalgoritmen, utvecklad av Peter Shor vid MIT, är för att hitta primtalsfaktorerna för ett heltal. Många vanliga kryptografiska system förlitar sig på det faktum att detta är svårt för en konventionell dator att göra. Men kryptografi kan anpassa sig och skapa nya typer av koder som inte är beroende av faktorisering.

Det som driver hypen är insikten om att kvantberäkning faktiskt är verklig. Det är inte längre en fysikers dröm – det är en ingenjörs mardröm.

Det är därför, även när de närmar sig milstolpen på 50 qubit, är IBMs egna forskare angelägna om att skingra hypen kring det. Vid ett bord i korridoren som ser ut mot den lummiga gräsmattan utanför mötte jag Jay Gambetta, en lång, lättsam australiensare som forskar om kvantalgoritmer och potentiella tillämpningar för IBM:s hårdvara. Vi är i detta unika skede, sa han och valde sina ord med omsorg. Vi har den här enheten som är mer komplicerad än vad du kan simulera på en klassisk dator, men den är ännu inte kontrollerbar med den precision som du kan göra de algoritmer du vet hur man gör.

Det som ger IBM:erna hopp är att även en ofullkomlig kvantdator fortfarande kan vara användbar.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse

Gambetta och andra forskare har nollställt en applikation som Feynman föreställde sig redan 1981. Kemiska reaktioner och materialens egenskaper bestäms av växelverkan mellan atomer och molekyler. Dessa interaktioner styrs av kvantfenomen. En kvantdator kan - åtminstone i teorin - modellera dem på ett sätt som en konventionell inte kan.

Förra året använde Gambetta och kollegor på IBM en sju-qubit-maskin för att simulera den exakta strukturen av berylliumhydrid. Med bara tre atomer är det den mest komplexa molekyl som någonsin modellerats med ett kvantsystem. I slutändan kan forskare använda kvantdatorer för att designa effektivare solceller, effektivare läkemedel eller katalysatorer som förvandlar solljus till rena bränslen.

De målen är långt borta. Men, säger Gambetta, det kan vara möjligt att få värdefulla resultat från en felbenägen kvantmaskin parad med en klassisk dator.

Från en fysikers dröm till en ingenjörs mardröm

Det som driver hypen är insikten om att kvantberäkning faktiskt är verklig, säger Isaac Chuang, en mager, lågmäld MIT-professor. Det är inte längre en fysikers dröm – det är en ingenjörs mardröm.

Chuang ledde utvecklingen av några av de tidigaste kvantdatorerna, som arbetade på IBM i Almaden, Kalifornien, under slutet av 1990-talet och början av 2000-talet. Även om han inte längre arbetar med dem, tror han att vi är i början av något väldigt stort - att kvantberäkningar så småningom till och med kommer att spela en roll i artificiell intelligens.

Men han misstänker också att revolutionen inte kommer att börja på riktigt förrän en ny generation studenter och hackare får leka med praktiska maskiner. Kvantdatorer kräver inte bara olika programmeringsspråk utan ett fundamentalt annorlunda sätt att tänka på vad programmering är. Som Gambetta uttrycker det: Vi vet inte riktigt vad motsvarigheten till 'Hej, värld' är på en kvantdator.

Vi börjar ta reda på det. 2016 kopplade IBM en liten kvantdator till molnet. Med hjälp av ett programmeringsverktyg som heter QISKit kan du köra enkla program på den; tusentals människor, från akademiska forskare till skolbarn, har byggt QISKit-program som kör grundläggande kvantalgoritmer. Nu lägger även Google och andra företag ut sina begynnande kvantdatorer online. Du kan inte göra mycket med dem, men de ger åtminstone människor utanför de ledande labben en smak av vad som kan komma.

Startup-gemenskapen blir också upphetsad. En kort stund efter att ha sett IBM:s kvantdator gick jag till University of Torontos handelsskola för att delta i en pitch-tävling för kvantstartups. Team av entreprenörer reste sig nervöst och presenterade sina idéer för en grupp professorer och investerare. Ett företag hoppades kunna använda kvantdatorer för att modellera finansmarknaderna. En annan planerade att låta dem designa nya proteiner. Ytterligare en annan ville bygga mer avancerade AI-system. Det som inte blev erkänt i rummet var att varje team föreslog ett företag byggt på en teknik så revolutionerande att den knappt existerar. Få verkade skrämmas av det faktum.

Denna entusiasm skulle kunna surna om de första kvantdatorerna är långsamma med att hitta en praktisk användning. Den bästa gissningen från de som verkligen känner till svårigheterna – människor som Bennett och Chuang – är att de första användbara maskinerna fortfarande är flera år bort. Och det antar att problemet med att hantera och manipulera en stor samling qubits inte i slutändan kommer att visa sig svårlöst.

Ändå har experterna hopp. När jag frågade honom hur världen kan se ut när min tvåårige son växer upp, svarade Chuang, som lärde sig använda datorer genom att leka med mikrochips, med ett flin. Kanske kommer ditt barn att ha ett kit för att bygga en kvantdator, sa han.

Dölj