Utnyttja Quantum Bits

Prestationen kanske inte rankas där med Samuel Morses sändning av What hath God wrought från Washington, DC, till Baltimore 1844 eller Alexander Graham Bells röstintonation, Watson, kom hit. Jag vill ha dig från ett rum till ett annat 1876. Ändå kan forskare så småningom markera dagen 2001 som en milstolpe då Isaac Chuang och hans kollegor på IBM bestämde att de två primtalsfaktorerna för talet 15 är tre och fem.

Det som gjorde deras beräkning anmärkningsvärd, var naturligtvis inte gymnastikens aritmetik, utan att beräkningen hade utförts av sju atomkärnor i en specialdesignad fluorkolvätemolekyl. Ironin att ett experiment så komplext och delikat skulle ge ett resultat så fotgängare och vardagligt går inte förlorad för Chuang, en av världens mest framstående forskare inom kvantberäkning. Min grupp, säger han med ett skratt, har världsrekordet för den största och mest värdelösa kvantdatorn.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2003

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men Chuang, nu docent vid MIT Media Lab, kanske visar en överdriven ödmjukhet. Kvantdatorer existerar idag bara i smärtsamt liten skala. Men trots en långsam start verkar fältet vara på gränsen till att ge verkliga framsteg inom kvantteori och ingenjörskonst. Forskare har föreslagit de första designerna för storskaliga kvantdatorer, enheter som använder de bisarra egenskaperna hos subatomära partiklar som finns i ytterligheterna av liten storlek och hög hastighet för att lösa problem som förvirrar även de mest kraftfulla konventionella datorenheterna.

Ett tekniskt tillvägagångssätt med stort lovande använder en klass av enheter som kan fånga individuella elektroner inom ett elektromagnetiskt fält. Deras spinn, eller orientering i ett magnetfält, kan observeras för att producera en kvantbit eller kvantbit. Ett annat lovande tillvägagångssätt använder kärnmagnetisk resonans, som kan manipulera samlingar, eller ensembler, av molekyler för att utföra beräkningar och returnera resultat i en mätbar form. Detta är den teknik som Chuang och Neil Gershenfeld, en kollega vid MIT Media Lab-professor, utforskar. Människor kommer med alla dessa verktyg som kommer att göra en kvantdator lättare att göra, säger Jonathan Dowling, huvudforskare och handledare för kvantberäkningsteknikgruppen vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien.

Denna forskning börjar också indikera kortsiktiga spin-offs, inklusive förbättringar av elektroniska kontroller för navigations-, kommunikations- och mätenheter. En av sakerna jag gör är att tänka på sätt att använda kvantdatorer för att göra bättre prylar, säger Dowling. Bland hans projekt finns ett kvantgyroskop som skulle utnyttja fotonernas kvantbeteende för att göra dessa avgörande navigeringsenheter känsligare. Spänningen har spridit sig till och med till den artificiella intelligensgemenskapen: det finns tecken på att kvantalgoritmernas förmåga att undersöka flera möjligheter samtidigt kan hjälpa till vid brytningen av storskaliga databaser, ett av fältets viktigaste praktiska mål. Om framtidens geografiska positioneringssystem, mobiltelefoner, sökmotorer och integrerade kretsar är mycket mer exakta eller tillförlitliga än dagens, kan det vara resultatet av banbrytande kvantberäkningsinsatser som pågår just nu i labb runt om i världen.

Elektronikindustrin har naturligtvis uppmärksammats. IBM sponsrar kvantberäkningsforskning vid dess Almaden Research Center i utkanten av Silicon Valley, där Chuang utförde sitt första arbete, samt vid dess flaggskepp Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, NY. Hewlett-Packard stödjer kvantberäkningsforskning vid sina labb i Palo Alto, Kalifornien, och Bristol, England. Och halvledarindustrin, som har blivit myndig tillsammans med framstegen inom elektroniken för klassisk datoranvändning, håller ett skarpt öga på utvecklingen inom området, desto bättre är det att vara förberedd för eran efter Moores lag, då miniatyrisering av klassiska elektroniska kretsar stötar mot fysiska gränser. Experter förutspår att det kommer att hända någon gång inom de kommande två decennierna.

Framstegen har varit långsamma, men de har varit stadiga, säger David P. DiVincenzo från IBM:s Watson-labb. För två eller tre år sedan påbörjades några betydande insatser som börjar ge resultat.

Flera verkligheter

Oavsett det tekniska tillvägagångssättet är målet med kvantberäkningar att dra fördel av själva kvaliteten på kvantmekaniken som designers av klassiska datorer kraftfullt försöker undvika: dess rena konstigheter.

De logiska kretsarna i traditionella datorer fungerar till exempel genom att detektera diskreta skillnader i spänningen som passerar genom elektroniska grindar: en hög spänning indikerar en binär etta och en låg spänning indikerar en nolla. Binär information kan också representeras av en elektrons spinn eller polariteten hos en foton. Men eftersom dessa partiklar existerar i kvantvärlden, som kännetecknas av oändligt korta avstånd, nästan ljushastigheter och extremt låga energinivåer, kan deras tillstånd inte alltid urskiljas som strikt ett eller noll. Elektroner och fotoner kan bete sig som vågor snarare än partiklar, tyckas ockupera mer än en plats åt gången och samtidigt uppvisa inkompatibla tillstånd: en elektrons spinn kan till exempel vara både upp och ner, ett tillstånd som kvantmekaniken kallar superposition. I beräkningstermer kan qubit vara en och noll samtidigt.

Det andra fenomenet som är viktigt för kvantberäkning är entanglement, där två eller flera partiklar skapas med ömsesidigt beroende egenskaper: när, till exempel, en enda foton omvandlas till två komplementära partiklar av en optisk stråldelare. Att mäta egenskaperna hos en partikel bestämmer omedelbart den andras tillstånd, även om de två vid mättillfället är åtskilda från varandra av galaktiska avstånd. (Einstein förlöjligade det här fenomenet som spöklik action på avstånd.)

Man har länge trott att dessa fenomen skulle kunna användas för att lösa beräkningsproblem utanför räckhåll för traditionell teknik. En enda kvantbit som kan vara i två tillstånd samtidigt kan göra jobbet med två klassiska bitar som arbetar parallellt. (Först när partikeln mäts eller observeras löser sig alla möjligheter till en enda, klassisk verklighet.) Två intrasslade qubits kan samtidigt utvärdera fyra indata. Uttryckt på ett annat sätt kan ett traditionellt minnesregister med åtta bitar endast lagra ett av möjliga 28 eller 256 digitala ord, men ett kvantregister med åtta kvantbitar kan representera och beräkna med alla 256 ord samtidigt.

Sådana allmänna föreställningar artikulerades av bland annat Richard Feynman så länge sedan som på 1980-talet. Men i åratal hade ingen en klar uppfattning om hur de skulle kunna tillämpas på verkliga problem. 1994 beskrev matematikern Peter W. Shor från AT&T Bell Labs en algoritm, eller ett program, som visade att en kvantdator kunde faktorisera stora tal exponentiellt snabbare än någon känd konventionell metod.

Shors upptäckt var viktig eftersom factoring är exakt den typ av problem som överväldigar konventionella datorer: När ett antal växer sig större, expanderar resurserna som krävs för att faktorisera det snabbt. Att faktorisera siffran sex är trivialt, men experter uppskattar att det skulle ta alla superdatorer i världen längre än det kända universums ålder att hitta faktorerna för ett tal med 300 siffror.

Factoring är dessutom ett matematiskt problem med verkliga tillämpningar. Själva svårhanterligheten med factoring med stort antal är kärnan i modern kryptografi, som förlitar sig på den för att skapa okrossbara nycklar. Shors algoritm representerade både en dolk i hjärtat av gammaldags okrossbara koder och en skylt som pekade mot en ny klass av riktigt okrossbara koder. Faktum är att många kvantberäkningsexperter förutspår att kvantkryptografi kommer att vara den första kommersiella applikationen som kommer ur den spirande vetenskapen, och redan har minst tre företag bildats för att marknadsföra säkra kommunikationssystem baserade på kvantfaktoring ( ser Kvantkryptering , TR februari 2003 ).

Bortom Säkerhetskoder

samtidigt väckte shors arbete ett ökat intresse för andra möjliga tillämpningar av kvantberäkning. Efter det första resultatet från Shor, säger datavetaren Wim van Dam från HP Labs, var alla mycket optimistiska att vi skulle hitta massor av algoritmer som kvantberäkningar skulle vara användbara för. Men under större delen av 1990-talet förblev sådana mördande appar svårfångade. Under en tid fruktade forskare att factoringproblemet skulle vara kvantberäkningens enda utdelning.

Under de senaste två åren har dock en förbättrad förståelse för hur qubits fungerar stimulerat ett nytt sökande efter problem qubits är särskilt väl lämpade att lösa. Edward Farhi från Center for Theoretical Physics vid MIT är bland dem som har åtagit sig det arbetet. Hela fokus för vårt intresse, säger Farhi, är om du hade en perfekt fungerande kvantdator, vad skulle du göra med den?

Farhi och hans kollegor har identifierat en rad generella, om än abstrakta, beräkningar som kvantdatorer kan utföra mycket snabbare än klassiska datorer. Det ena är ett navigeringsproblem där en resenär med varken karta eller guide rör sig från startpunkt till destination via slumpmässiga vägar som förgrenar sig från ett givet antal mellanstationer. Förvånande ingen, Farhis team visade att under sådana förhållanden, den tid som en klassisk dator kräver för att hitta en väg från punkt TILL att peka B expanderar exponentiellt som antalet förgreningspunkter mellan TILL och B ökar. Däremot skulle en kvantdator färdas alla möjliga vägar samtidigt och på ett tillförlitligt sätt finna sin väg över labyrinten i en tidsram som bara expanderar aritmetiskt med labyrintens komplexitet.

Jag är ganska nöjd med det här även om det är lite konstlat, säger Farhi. Det som skiljer Farhis problem från det berömda resandeförsäljarproblemet och andra logistiska problem är att resenären inte har någon karta och därför endast begränsad kunskap om vägen. Men i den verkliga världen har en resenär sannolikt en karta som visar alla möjliga vägar, och utmaningen är att hitta den mest effektiva rutten. Allt en kvantdator gör är att korsa alla vägar på en gång för att snabbt komma fram till destinationen - men den kommer inte att producera en viss rutt. Så det är ännu inte klart om Farhis arbete pekar på en praktisk tillämpning eller inte. Det här är en språngbräda till ett bättre exempel, säger Farhi hoppfullt. Jag antar att man kan säga att vi letar efter exempel i arealvärlden.

En mer trolig användning av kvantberäkning kan vara i databassökningar. 1996 utvecklade Lov Grover, en fysikalisk forskare vid Lucent Technologies' Bell Labs, en algoritm som visade hur kvantberäkningar kunde påskynda sökningar avsevärt: En klassisk dator som söker i en telefonbok med, säg, en miljon poster skulle i genomsnitt cirka femhundratusen försöker hitta ett enda specificerat telefonnummer. En kvantdator skulle bara behöva tusen försök.

Poängen är, säger Farhi, att kvanthastigheten inte är universell. Så att hitta problem som det är fördelaktigt för är en konst.

Qubit Trappers

Medan farhi och hans kollegor bestämmer vad som kan göras med en kvantdator, jobbar andra hårt med att konstruera själva hårdvaran.

IBMs DiVincenzo säger att en praktisk kvantdator måste ha fem grundläggande funktioner: Den måste tillhandahålla qubits-partiklar eller grupper av partiklar som kan isoleras och placeras i superposition, det obestämda tillståndet där de representerar både ettor och nollor. Det måste vara möjligt för operatörer att styra qubitarnas initiala tillstånd, analogt med att sätta dem alla till noll i början av en beräkning. Qubits måste förbli stabila i superposition tillräckligt länge för att utföra en operation - var som helst från millisekunder till flera sekunder. Det måste vara möjligt att implementera kvantlogiska kretsar som motsvarar sådana booleska operatorer som och , eller , och inte , som utgör grunden för traditionell datorarkitektur. I klassiska datorer är dessa uttryck förkroppsligade i elektriska kretsar. Den enklaste logiska grinden, icke-grinden, omvandlar en inkommande digital till en nolla och vice versa. För att manipulera kvantbitar måste kvantkretsar använda tekniker som extremt exakt kontroll av magnetfält eller laserpulser.

Det sista kravet på en kvantdator är att den gör resultatet av en beräkning tillgänglig för användaren, till exempel genom en visuell avläsning.

De flesta kvantberäkningsexperiment kokar ner till ansträngningar som adresserar ett eller flera av DiVincenzos krav. Det finns förmodligen ett halvdussin seriösa förslag och 10 gånger så många som inte är seriösa, säger Bruce Kane, som är specialiserad på vetenskapen om enelektronenheter vid University of Maryland.

Chuang och Gershenfeld använde till exempel kärnmagnetisk resonans för att mäta spinn av qubits i bulkmaterial - en flaska som innehåller en miljard miljarder molekyler specialtillverkade av fluor, kol, järn, väte och syre. Spinn av kärnorna i de fem fluor- och två kolatomerna i varje molekyl fungerade som interagerande qubits för att exekvera Shors algoritm. Även om Chuang och Gershenfelds prestation när det gäller att kontrollera och mäta snurrarna på sju qubits har hyllats allmänt, tror många inom området att det kommer att bli extremt svårt att skala upp detta tillvägagångssätt. Begränsningen är att varje gång du lägger till qubits minskar signal-brusförhållandet, säger Kane, med hänvisning till mängden användbar information - som överskottet av partiklar med ett snurr över partiklar med ett annat spin - som kan särskiljas från slumpmässigt störningar i bulkfluorkolmaterialet.

Chuang själv erkänner att hans sjubitars kvantdator ligger långt under den skala som behövs för meningsfulla beräkningar. För att göra det praktiskt måste vi komma till tusentals, om inte hundratusentals, qubits, säger han. Ett rivaliserande tillvägagångssätt som använder ingenjörstekniker i nanoskala för att bygga qubit-behållare, tillägger han, kan vara lättare att skala upp.

David J. Wineland och hans team studerar detta alternativ vid Time and Frequency Division vid U.S. National Institute of Standards and Technology i Boulder, CO. De bygger miniatyrenheter med hjälp av elektroder som isolerar joner i fällor som är framställda från elektriska fält. Fördelen med detta tillvägagångssätt, säger Wineland, är att jonfällor är relativt lätta att tillverka, kan länkas samman och kan hålla mer än en jon per fälla. Wineland föreslår att en sträng av joner inneslutna i en enda fälla kan fungera som ett slags kvantminne, och varje ytterligare qubit skulle utöka lagringskapaciteten exponentiellt. Redan har Winelands grupp lockat sådana qubits att stanna i ett tillstånd av superposition i upp till 10 minuter. Men en nuvarande svaghet i detta schema är att det är svårt att överföra kvantinformation mellan joner som hålls i separata fällor, en nödvändighet för storskaliga beräkningar.

Quantum spinoffs

Att skapa qubits som interagerar och stannar i superposition tillräckligt länge för att göra sig användbara kommer att sysselsätta kvantberäkningsforskare i många år framöver. Ändå dyker praktiska vinster fram när forskare utnyttjar fenomenen bakom kvantberäkningar inom relaterade områden.

På NIST, vars institutionella uppdrag inkluderar att sätta standarder för mätning av tid, var Winelands intresse för kvantberäkning före Shors algoritm. Vi började fundera på hur kvantintrassling kunde användas för att förbättra signal-brusförhållandet i atomklockor, förklarar han. Vi visste att det fanns ett kvantintrasslingstillstånd som kunde förbättra klockan, och idéerna om kvantberäkning visade hur man gör den. Grovt sett fungerar dagens atomklockor genom att ta medelvärdet av samtidiga avläsningar av de oscillerande magnetfälten för mer än en miljon cesiumatomer; kvantintrassling kan minska den tid som behövs för att beräkna detta medelvärde och förbättra precisionen genom att tillåta många avläsningar att göras samtidigt.

Jet Propulsion Laboratory's Dowling tillägger att kvantintrassling kan ge ett bättre sätt att synkronisera jordbundna klockor med de i rymden. För närvarande försvinner mark- och rymdsynkronisering, som oftast görs med radio, om än minutiöst av atmosfärisk refraktion och andra effekter. Eftersom intrasslade fotoner är länkade på kvantnivå är de immuna mot dessa fysiska störningar. Det skulle vara en riktigt stor sak att slå ut dessa [effekter], säger Dowling. Han föreslår att man skickar intrasslade partiklar till de platser som ska synkroniseras. Att mäta en partikel skulle omedelbart sätta den andra att ticka, säger Dowling. Efter att ha kalibrerat sina klockor till de tickande partiklarna skulle operatörerna veta att klockorna var överens.

För att inte någon tror att kvantskaliga förbättringar av tidsmätning endast är av akademiskt intresse, bör det noteras att atomär tidtagning är grunden för geografiska positioneringssystem, satellitspårningsteknologier och mobila kommunikationsnätverk, som synkroniseras med andra. Historien har för alltid visat att när det finns en bättre klocka så används den, säger Wineland. Det är en bra satsning att trenden kommer att fortsätta.

Forskare inom industrin letar under tiden efter sätt att bootstrap kvantdatorn genom att koppla den till konventionell teknik där de har mer erfarenhet. Förra året slöt Hewlett-Packard en arbetsallians på 2,5 miljoner dollar med Gershenfeld och Chuang för att, som seniorforskaren Philip Kuekes från HP Labs säger, kombinera vår respektive expertis. HP är till exempel fascinerad av möjligheten att sända kvantbitar via vanliga fiberoptiska linjer - av vilka tusentals kilometer ligger installerade men underutnyttjade runt om i landet. Det är faktiskt ganska intressant, säger Kuekes. Långdistansöverföring av kvantinformation, förstärkt av egenskaperna hos kvantintrassling, skulle tillåta korrespondenter att dela kodnycklar utan rädsla för att de äventyras. Det betyder, tillägger han, att en av de saker som kan hända ganska tidigt är kvantkryptografi.

Även om, som forskning har visat, qubits kan överföras över fiberoptiska linjer, fungerar överföringarna inte mer än tiotals kilometer åt gången. Att skicka qubits över kontinenter eller hav, säger Kuekes, skulle kräva ett system av kvantomkopplare och repeaters analogt med solid-state-versionerna som hjälper till att flytta data över hela Internet. Dessa skulle uppgå till enkla kvantdatorer utrustade med felkorrigerande programvara som skulle kunna kompensera för den oundvikliga förlusten av superposition bland många av de resande qubitarna. Utveckling av denna programvara är en av huvudinriktningarna i HP Labs forskning.

I ett vetenskapligt exempel på att barnet är far till mannen, har tillämpad forskning kastat av sig vissa kompletterande fördelar även inom kvantmekanikens modervetenskap. De verktyg som behövs för att perfekta kvantberäkningar, visar det sig, hjälper också till att demonstrera partikelbeteende som fysiker hittills endast har ansett i teorin.

Det finns ett vackert återflöde åt andra hållet, säger John Preskill, professor i teoretisk fysik vid Caltech. Intresset för quantum computing har inspirerat till mycket intressant vetenskap. Vi är långt ifrån ett kraschprogram inom tekniken, men vi går in i en ny era inom fysik av kondenserad materia.

Detta är till stor del ett resultat av kvantberäkningens krav på att qubits ska kontrolleras och mätas med oöverträffad precision. Traditionen inom den kondenserade materiens fysik har varit att göra experiment på ensembler, det vill säga enorma mängder atomer vars kvantbeteende kan identifieras statistiskt, säger Preskill. Man mäter vanligtvis inte beteendet hos enskilda elektroner.

I synnerhet Winelands experiment vid NIST, säger Preskill, har gett fysiker ett oöverträffat fönster om individuella partiklars beteende. Uppdelningen av qubits till klassiska ettor eller nollor, till exempel, är ett fenomen som forskare tidigare bara kunde sluta sig till genom att observera hela moln av elektroner eller fotoner. Molnens genomsnittliga signal skulle indikera om vissa partiklar hade ändrat sitt kvanttillstånd, men du skulle inte riktigt se det individuella partikelbeteendet, säger Preskill. Det är verkligen en ny typ av experiment.

Preskill, liksom andra inom området, varnar för att många frågor måste besvaras och kritiska problem lösas innan kvantberäkning kan avancera bortom sina nuvarande elementära tillämpningar. Om det här området fortfarande kommer att se så spännande ut om 10 år kan jag inte säga, medger han. Men just nu känns fältet fräscht och nytt. Ännu en gång.

Dölj