Kluczem do potężniejszych komputerów kwantowych może być zbudowanie ich jak Legos

Moduły aluminiowe firmy Quantum Circuits. Dzięki uprzejmości obwodów kwantowych

Odwiedź każdy start-up lub laboratorium uniwersyteckie, w którym budowane są komputery kwantowe, i to jak przejście do lat 60. — rozkwitu komputerów typu mainframe, kiedy małe armie techników pracowały przy maszynach, które mogły wypełnić całe pokoje.

Potrzebny jest wszelkiego rodzaju sprzęt, od superdokładnych laserów po przechłodzone lodówki, aby wykorzystać egzotyczne siły mechaniki kwantowej do zadania przetwarzania danych. Kable łączące różne elementy wyposażenia tworzą wielokolorowe spaghetti, które rozlewa się po podłogach i biegnie po sufitach. Fizycy i inżynierowie roją się wokół ekranów, stale monitorując i poprawiając wydajność komputerów.

Komputery typu mainframe zapoczątkowały rewolucję informacyjną i istnieje nadzieja, że ​​komputery kwantowe również zmienią zasady gry. Ich ogromna moc obliczeniowa może przewyższyć nawet najbardziej wydajne konwencjonalne superkomputery, potencjalnie zapewniając postęp we wszystkim, od odkrywania leków po materiałoznawstwo i sztuczną inteligencję.

Dużym wyzwaniem stojącym przed rodzącą się branżą jest tworzenie maszyn, które można skalować zarówno niezawodnie, jak i stosunkowo tanio. Generowanie i zarządzanie bitami kwantowymi lub kubitami, które przenoszą informacje w komputerach, jest trudne. Nawet najmniejsze wibracje lub zmiany temperatury — zjawiska znane w żargonie kwantowym jako szum — mogą spowodować, że kubity stracą swój kruchy stan kwantowy. A kiedy tak się dzieje, do obliczeń wkradają się błędy.

Najczęstszą odpowiedzią było stworzenie komputerów kwantowych z jak największą liczbą kubitów na jednym chipie. Jeśli niektóre kubity nie wypalą, inne przechowujące kopie informacji mogą zostać wywołane jako kopie zapasowe przez algorytmy opracowane w celu wykrywania i minimalizowania błędów. Strategia, której broniły duże firmy, takie jak IBM i Google, a także znane start-upy, takie jak Rigetti Computing , doprowadziła do powstania złożonych maszyn, które przypominają komputery typu mainframe wielkości pokoju.

Problem w tym, że wskaźniki błędów są ekstremalne. Dzisiejsze największe układy mają mniej niż sto kubitów, ale do uzyskania tego samego wyniku, co pojedynczy bezbłędny kubit, mogą być potrzebne tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy. Każdy kubit wymaga własnego okablowania sterującego, więc im więcej jest dodawanych, tym bardziej skomplikowanym staje się zarządzanie systemem. Więcej sprzętu będzie również potrzebne do monitorowania szybko rosnącej liczby kubitów i zarządzania nią. Może to radykalnie zwiększyć złożoność i koszt komputerów, ograniczając ich atrakcyjność.

Robert Schoelkopf, profesor Yale, uważa, że ​​istnieje lepsza droga naprzód. Zamiast próbować upchać coraz więcej kubitów na jednym chipie, Quantum Circuits, start-up, którego był współzałożycielem w 2017 roku, opracowuje wielkość mini maszyn kwantowych. Można je połączyć w sieć za pomocą wyspecjalizowanych interfejsów, trochę jak bardzo zaawansowane technologicznie klocki Lego. Schoelkopf twierdzi, że takie podejście pomaga w generowaniu niższych współczynników błędów, więc do tworzenia potężnych maszyn kwantowych potrzeba będzie mniejszej liczby kubitów — a tym samym mniej wspierającego sprzętu.

Robert Schoelkopf w laboratorium w biurze Quantum Circuits w New Haven. Julie Bidwell

Sceptycy zwracają uwagę, że w przeciwieństwie do rywali, takich jak IBM, Quantum Circuits nie zaprezentowało jeszcze publicznie działającego komputera. Ale jeśli może dostarczyć taki, który spełni wymagania Schoelkopfa, może pomóc znacznie szybciej przenieść obliczenia kwantowe z laboratoriów do komercyjnego świata.

Dążenie do tworzenia trwałych kubitów

Pomysł łączenia mniejszych kwantowych bloków konstrukcyjnych w celu tworzenia większych komputerów istnieje od lat, ale nigdy nie został do końca przyjęty. Nie było jeszcze świetnej, odpornej na awarie maszyny, która zostałaby zbudowana przy użyciu podejścia modułowego, wyjaśnia Jerry Chow, który zarządza eksperymentalnym zespołem obliczeń kwantowych w IBM Research. Mimo to, dodaje Chow, jeśli ktokolwiek może to zrobić, będzie to Schoelkopf i jego koledzy.

Po przeszkoleniu jako inżynier i fizyk, w tym w NASA i Caltech, Schoelkopf dołączył do wydziału Yale w 1998 i zaczął pracować nad obliczeniami kwantowymi. On i jego koledzy byli pionierami w wykorzystaniu obwodów nadprzewodzących na chipie do tworzenia kubitów. Pompując prąd elektryczny przez wyspecjalizowane mikrochipy przechowywane w lodówkach, które są zimniejsze niż przestrzeń kosmiczna, są w stanie nakłonić cząstki do stanów kwantowych, które są kluczowe dla ogromnej mocy komputerów.

W przeciwieństwie do bitów w zwykłych komputerach, które są strumieniami impulsów elektrycznych lub optycznych reprezentujących albo a jeden lub 0 , kubity to cząstki subatomowe, takie jak fotony lub elektrony, które mogą być kombinacją obu jeden oraz 0 — zjawisko znane jako superpozycja. Kubity mogą również się ze sobą zaplątać, co oznacza, że ​​zmiana stanu jednego może natychmiast zmienić stan innych, nawet jeśli nie ma między nimi fizycznego połączenia.

System próżniowy używany do tworzenia obwodów nadprzewodzących. Julie Bidwell

Więcej informacji na ten temat znajdziesz w naszym poradniku dotyczącym obliczeń kwantowych. Najważniejszą rzeczą, którą należy jednak wiedzieć, jest to, że pozwala to kubitom zachowywać się tak, jakby wykonywały wiele obliczeń jednocześnie, które zwykły komputer musiałby wykonywać sekwencyjnie. Oznacza to, że dodanie dodatkowych kubitów do maszyny kwantowej wykładniczo zwiększa jej wydajność przetwarzania.

Schoelkopf również zdobył uznanie za swoją pracę nad problemem hałasu. Czasy koherencji kubitów — czyli jak długo mogą wykonywać obliczenia, zanim szum zakłóci ich delikatny stan kwantowy — poprawiają się dziesięciokrotnie mniej więcej co trzy lata. (Naukowcy nazwali ten trend prawem Schoelkopfa w nawiązaniu do prawa Moore'a klasycznego informatyki, które utrzymuje, że liczba tranzystorów w chipie krzemowym podwaja się mniej więcej co dwa lata). Brendan Dickinson z Canaan Partners, jeden z inwestorów w Quantum Circuits, mówi Schoelkopf's. imponujące osiągnięcia w dziedzinie kubitów nadprzewodzących to jeden z głównych powodów, dla których zdecydowano się wesprzeć firmę, która do tej pory zebrała 18 milionów dolarów.

Jak na ironię, niektórzy studenci, których mentorem był Schoelkopf i jego współzałożyciele z Yale, Michel Devoret i Luigi Frunzio, są teraz w firmach takich jak IBM i Rigetti, które konkurują z ich start-upem. Schoelkopf jest wyraźnie dumny z diaspory kwantowej, która wyszła z laboratorium Yale. Powiedział mi, że kilka lat temu przyjrzał się wszystkim organizacjom na całym świecie pracującym nad kubitami nadprzewodnikowymi i odkrył, że ponad połowa z nich była prowadzona przez ludzi, którzy tam przebywali. Ale wierzy również, że pojawił się rodzaj myślenia grupowego.

Zalety maszyn modułowych

Większość badaczy pracujących nad maszynami nadprzewodnikowymi skupia się na tworzeniu jak największej liczby kubitów na jednym chipie. Podejście Quantum Circuits bardzo różni się od tego standardu. Rdzeniem systemu jest niewielki aluminiowy moduł zawierający obwody nadprzewodzące wykonane na chipach krzemowych lub szafirowych. Każdy moduł zawiera od 5 do 10 kubitów.

Aby połączyć te moduły w większe komputery, firma używa czegoś, co brzmi jak coś z Star Trek — teleportacja kwantowa. Jest to metoda opracowana do przesyłania danych przez takie rzeczy, jak sieci telekomunikacyjne. Podstawowa idea polega na splątaniu fotonu mikrofalowego w jednym module z fotonem w innym, a następnie wykorzystaniu łącza między nimi jako pomostu do przesyłania danych. (Mamy też wyjaśnienie teleportacji kwantowej.) Quantum Circuits zastosowało to podejście do teleportacji kwantowej wersji bramki logicznej między swoimi modułami.

Schoelkopf mówi, że istnieje kilka powodów, dla których połączenie modułów sieciowych jest lepsze niż wciskanie jak największej liczby kubitów na jednym chipie. Mniejsza skala każdej jednostki ułatwia sterowanie systemem i stosowanie technik korekcji błędów. Co więcej, jeśli niektóre kubity zepsują się w pojedynczym module, jednostka może zostać usunięta lub odizolowana bez wpływu na inne połączone z nią w sieci; jeśli wszystkie są na jednym chipie, może być konieczne złomowanie całej rzeczy.

Wafel używany do tworzenia kubitów w komputerach Quantum Circuits. Julie Bidwell

Patrząc w przyszłość, modułowe maszyny Quantum Circuits nadal będą potrzebowały tego samego sprzętu, co konkurencyjne, w tym lodówek z przechładzaniem i sprzętu monitorującego. Ale w miarę ich skalowania nie powinny wymagać tego samego rodzaju okablowania sterującego i innych akcesoriów potrzebnych do opanowania poszczególnych kubitów. Tak więc, podczas gdy konkurencyjne urządzenia mogą wyglądać coraz bardziej jak te masywne wczesne komputery mainframe, maszyny startowe powinny pozostać podobne do tych odchudzonych, które pojawiły się jako konwencjonalne komputery zaawansowane w latach 70. i później.

Słuchając, jak Schoelkopf opowiada o technologii, do mojej głowy wkradł się obraz: moje dzieci bawiły się plastikowymi klockami Lego, gdy były małe, łącząc je ze sobą, by budować zamki i forty.

Kiedy zasugerowałem porównanie, Schoelkopf był początkowo trochę ostrożny, ale potem stał się całkiem entuzjastyczny. Ogólnie rzecz biorąc, każde złożone urządzenie, które znam, powiedział, opiera się na posiadaniu odpowiednika klocków Lego, a ty definiujesz interfejsy i sposób, w jaki one do siebie pasują… [klocki Lego] są naprawdę tanie. Mogą być produkowane masowo. I zawsze łączą się we właściwy sposób.

Moduły kwantowe Schoelkopfa mają jeszcze jedną kluczową zaletę. Każda z nich zawiera trójwymiarową wnękę, która zatrzymuje pewną liczbę fotonów mikrofalowych. Tworzą one tak zwane qudits i są jak kubity, z wyjątkiem tego, że przechowują więcej informacji. Podczas gdy kubit reprezentuje kombinację jeden oraz 0 , qudit może istnieć w więcej niż dwóch stanach — powiedzmy, 0 , jeden , oraz dwa w tym samym czasie. Komputery kwantowe z qudits mogą jednocześnie przeszukiwać jeszcze więcej informacji.

Naukowcy eksperymentowałem z qudits przez jakiś czas, ale są trudne do wygenerowania i kontrolowania. Schoelkopf mówi, że Quantum Circuits znalazły sposoby na konsekwentne tworzenie wysokiej jakości i znaczne ograniczenie błędów. (Firma twierdzi, że osiągnęła czasy koherencji przy użyciu wnęk, które są od dziesięciu do 100 razy dłuższe niż w przypadku kubitów nadprzewodzących, co ułatwia poprawianie błędów). Niektóre kubity są nadal potrzebne do wykonywania operacji na qudits i wydobywania z nich informacji , ale jego podejście wymaga mniejszej liczby tych kubitów. To z kolei oznacza, że ​​potrzeba mniej sprzętu.

Obliczenia kwantowe to szeroko otwarta dziedzina

Wnętrze lodówki do rozcieńczania Quantum Circuits. Dzięki uprzejmości obwodów kwantowych

Podejście Quantum Circuits brzmi przekonująco, ale Schoelkopf nie chce powiedzieć dokładnie, kiedy firma zaprezentuje w pełni działający komputer. Nie ujawni też, ile kubitów i kuditów udało się jego zespołowi łącznie zebrać.

Im dłużej to trwa, tym bardziej jego start-up ryzykuje, że zostanie przyćmiony przez rywali. IBM i Rigetti już dają firmom i naukowcom dostęp do swoich komputerów kwantowych za pośrednictwem chmury obliczeniowej, a podobno Google jest bliski bycia pierwszym, który osiągnie supremację kwantową – czyli punktu, w którym komputer kwantowy może wykonać zadanie poza zasięgiem nawet najpotężniejszego konwencjonalnego superkomputera.

Schoelkopf mówi, że organizacje, które chcą wypróbować algorytmy w systemie Quantum Circuits, będą mogły to zrobić już niedługo i że w pewnym momencie połączą maszyny z chmurą, tak jak zrobiły to IBM i Rigetti. Startup to nie tylko budowanie komputerów; pracuje również nad oprogramowaniem, które pomoże użytkownikom w pełni wykorzystać możliwości sprzętu.

Poza tym to dopiero początek. Algorytmy kwantowe działające w usługach w chmurze, takich jak dzisiejsze IBM, są nadal dość proste, zauważa Schoelkopf. Pole jest szeroko otwarte dla komputerów kwantowych i związanego z nimi oprogramowania, które może naprawdę zmienić wiele obszarów, od turbodoładowania aplikacji sztucznej inteligencji po modelowanie cząsteczek dla chemików.

Pozostaje wiele pytań. Czy Quantum Circuits będą w stanie nadal produkować solidne kubity i qudity, ponieważ budują znacznie większe maszyny? Czy metoda teleportacji kwantowej może działać niezawodnie, ponieważ łączy ze sobą więcej modułów? I czy jej systemy, gdy zostaną wprowadzone do sprzedaży, będą bardziej opłacalne w eksploatacji niż systemy konkurencji? Przed nami wciąż stoją poważne wyzwania z zakresu fizyki i inżynierii. Ale jeśli Schoelkopf i jego koledzy zdołają je przezwyciężyć, mogą udowodnić, że kluczem do osiągnięcia dużych rozmiarów w obliczeniach kwantowych jest myślenie na małą skalę.

ukryć