De race is in volle gang. 'S Werelds toonaangevende bedrijven proberen de eerste kwantumcomputer te maken, gebaseerd op technologie die wetenschappers al lang belooft te helpen wonderbaarlijke nieuwe materialen te ontwikkelen, gegevens te perfectioneren en veranderingen in het klimaat op aarde nauwkeurig te voorspellen. Zo'n machine zal waarschijnlijk niet eerder dan over tien jaar verschijnen, maar dit houdt IBM, Microsoft, Google, Intel en anderen niet tegen. Ze plaatsen letterlijk kwantumbits - of qubits - op een processorchip, letterlijk. Maar de weg naar kwantumcomputers omvat veel meer dan het manipuleren van subatomaire deeltjes.
Een qubit kan 0 en 1 tegelijk voorstellen, dankzij het unieke kwantumfenomeen superpositie. Hierdoor kunnen qubits een enorme hoeveelheid berekeningen tegelijkertijd uitvoeren, waardoor de rekensnelheid en capaciteit aanzienlijk toenemen. Maar er zijn verschillende soorten qubits, en ze zijn niet allemaal gelijk gemaakt. In een programmeerbare siliciumquantumchip wordt bijvoorbeeld de waarde van een bit (1 of 0) bepaald door de rotatierichting van zijn elektron. Qubits zijn echter extreem kwetsbaar en sommige hebben temperaturen nodig van wel 20 millikelvin - 250 keer kouder dan in de diepe ruimte - om stabiel te blijven.
Een kwantumcomputer is natuurlijk niet alleen een processor. Deze systemen van de volgende generatie vereisen nieuwe algoritmen, nieuwe software, verbindingen en een heleboel nog uit te vinden technologieën die profiteren van een enorme rekenkracht. Bovendien zullen de resultaten van de berekeningen ergens moeten worden opgeslagen.
"Als het niet zo moeilijk was geweest, hadden we er al een gedaan", zegt Jim Clark, directeur kwantumhardware bij Intel Labs. Op CES onthulde Intel dit jaar een 49-qubit-processor met de codenaam Tangle Lake. Een paar jaar geleden creëerde het bedrijf een virtuele omgeving voor het testen van kwantumsoftware; het gebruikt de krachtige Supercomputer Stampede (van de Universiteit van Texas) om een 42-qubit-processor te simuleren. Om echt te begrijpen hoe je software voor kwantumcomputers schrijft, moet je honderden of zelfs duizenden qubits simuleren, zegt Clarke.
Scientific American interviewde Clarke over de verschillende benaderingen van het bouwen van een kwantumcomputer, waarom ze zo kwetsbaar zijn en waarom het hele gebeuren zo lang duurt. Het zal interessant voor je zijn.
Waarin verschilt kwantumcomputing van traditioneel computergebruik?
Promotie video:
Een veel voorkomende metafoor die wordt gebruikt om de twee soorten berekeningen te vergelijken, is een munt. In een traditionele computerprocessor is de transistor kop of munt. Maar als je vraagt naar welke kant de munt kijkt wanneer hij draait, zul je zeggen dat het antwoord beide kan zijn. Dit is hoe quantum computing werkt. In plaats van de gebruikelijke bits die 0 of 1 vertegenwoordigen, heb je een kwantumbit die zowel 0 als 1 vertegenwoordigt totdat de qubit stopt met draaien en in een rusttoestand komt.
Toestandsruimte - of de mogelijkheid om een groot aantal mogelijke combinaties te herhalen - is exponentieel in het geval van een kwantumcomputer. Stel je voor dat ik twee munten in mijn hand heb en ik gooi ze tegelijkertijd in de lucht. Terwijl ze roteren, vertegenwoordigen ze vier mogelijke staten. Als ik drie munten in de lucht gooi, vertegenwoordigen ze acht mogelijke staten. Als ik vijftig munten in de lucht gooi en je vraag hoeveel staten ze vertegenwoordigen, is het antwoord een getal dat zelfs de krachtigste supercomputer ter wereld niet kan berekenen. Driehonderd munten - nog steeds een relatief klein aantal - vertegenwoordigen meer staten dan atomen in het universum.
Waarom zijn qubits zo kwetsbaar?
De realiteit is dat munten, of qubits, uiteindelijk stoppen met draaien en instorten tot een bepaalde staat, of het nu kop of munt is. Het doel van quantum computing is om het lange tijd in superpositie in een reeks toestanden te laten ronddraaien. Stel je voor dat er een munt op mijn tafel draait en iemand duwt de tafel. De munt kan sneller vallen. Ruis, temperatuurveranderingen, elektrische fluctuaties of trillingen kunnen allemaal de werking van de qubit verstoren en leiden tot het verlies van gegevens. Een manier om bepaalde soorten qubits te stabiliseren, is door ze koud te houden. Onze qubits draaien in een koelkast ter grootte van 55 gallon vat en gebruiken een speciale isotoop van helium om ze af te koelen tot bijna het absolute nulpunt.
Hoe verschillen verschillende soorten qubits van elkaar?
Er zijn maar liefst zes of zeven verschillende soorten qubits, waarvan er ongeveer drie tot vier actief in overweging worden genomen voor gebruik in kwantumcomputers. Het verschil is hoe je de qubits kunt manipuleren en ze met elkaar kunt laten communiceren. Je hebt twee qubits nodig om met elkaar te communiceren om grote "verstrengelde" berekeningen uit te voeren, en verschillende soorten qubits raken op verschillende manieren met elkaar verstrikt. Het type dat ik heb beschreven dat extreme koeling vereist, wordt een supergeleidend systeem genoemd, dat onze Tangle Lake-processor en kwantumcomputers omvat die zijn gebouwd door Google, IBM en anderen. Andere benaderingen maken gebruik van oscillerende ladingen van ingesloten ionen - op hun plaats gehouden in een vacuümkamer door laserstralen - die als qubits werken. Intel ontwikkelt geen opgesloten ionsystemen omdat het een grondige kennis van lasers en optica vereist,we kunnen het niet.
We bestuderen echter een derde type, dat we silicium-spin-qubits noemen. Ze zien er precies zo uit als traditionele siliciumtransistors, maar werken op één elektron. Spin-qubits gebruiken microgolfpulsen om de spin van een elektron te regelen en zijn kwantumkracht vrij te geven. Deze technologie is tegenwoordig minder volwassen dan supergeleidende qubit-technologie, maar het is waarschijnlijk veel waarschijnlijker dat ze opschaalt en commercieel succesvol wordt.
Hoe kom je vanaf hier naar dit punt?
De eerste stap is om deze kwantumchips te maken. Tegelijkertijd hebben we simulaties uitgevoerd op een supercomputer. Om de kwantumsimulator van Intel te laten draaien, zijn er ongeveer vijf biljoen transistors nodig om 42 qubits te simuleren. Er zijn een miljoen qubits of meer nodig om commercieel bereik te bereiken, maar als je begint met een simulator als deze, kun je de basisarchitectuur, compilers en algoritmen bouwen. Totdat we fysieke systemen hebben met een paar honderd tot duizend qubits, is het niet duidelijk wat voor soort software we erop kunnen draaien. Er zijn twee manieren om de omvang van een dergelijk systeem te vergroten: een is om meer qubits toe te voegen, waarvoor meer fysieke ruimte nodig is. Het probleem is dat als het ons doel is om computers met een miljoen qubits te bouwen, wiskunde ze niet goed zal opschalen. Een andere manier is om de interne afmetingen van de geïntegreerde schakeling te comprimeren, maar deze benadering zou een supergeleidend systeem vereisen, dat enorm moet zijn. Spin-qubits zijn een miljoen keer kleiner, dus we zoeken naar andere oplossingen.
Daarnaast willen we de kwaliteit van de qubits verbeteren, waardoor we algoritmen kunnen testen en ons systeem kunnen bouwen. Kwaliteit verwijst naar de nauwkeurigheid waarmee informatie in de loop van de tijd wordt gecommuniceerd. Hoewel veel onderdelen van een dergelijk systeem de kwaliteit zullen verbeteren, zullen de grootste vorderingen komen van het ontwikkelen van nieuwe materialen en het verbeteren van de nauwkeurigheid van microgolfpulsen en andere besturingselektronica.
Onlangs hield de Amerikaanse subcommissie voor digitale handel en consumentenbescherming een hoorzitting over kwantumcomputers. Wat willen wetgevers over deze technologie weten?
Er zijn verschillende hoorzittingen in verband met verschillende commissies. Als we kwantumcomputers nemen, kunnen we zeggen dat dit computertechnologieën zijn voor de komende 100 jaar. Het is niet meer dan normaal dat de VS en andere regeringen geïnteresseerd zijn in hun kans. De Europese Unie heeft een plan van meerdere miljarden dollars om kwantumonderzoek in heel Europa te financieren. China kondigde afgelopen herfst een onderzoeksbasis van $ 10 miljard aan die zich zal concentreren op kwantuminformatica. De vraag is: wat kunnen we als land op nationaal niveau doen? Een nationale strategie voor kwantumcomputers moet worden uitgevoerd door universiteiten, de overheid en de industrie, die samenwerken aan verschillende aspecten van de technologie. Standaarden zijn absoluut noodzakelijk in termen van communicatie of softwarearchitectuur. Arbeid is ook een probleem. Als ik nu een vacature open voor een expert op het gebied van kwantumcomputers, bevindt twee derde van de sollicitanten zich waarschijnlijk buiten de VS.
Welke impact kan quantum computing hebben op de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie?
Meestal zullen de eerste voorgestelde kwantumalgoritmen zich richten op beveiliging (bijv. Cryptografisch) of chemie en materiaalmodellering. Dit zijn problemen die fundamenteel onoplosbaar zijn voor traditionele computers. Er zijn echter talloze startups en groepen wetenschappers die werken aan machine learning en AI met de introductie van kwantumcomputers, zelfs theoretische. Gezien het tijdsbestek dat nodig is voor AI-ontwikkeling, zou ik traditionele chips verwachten die specifiek zijn geoptimaliseerd voor AI-algoritmen, die op hun beurt een impact zullen hebben op de ontwikkeling van kwantumchips. In ieder geval zal AI zeker een boost krijgen van quantum computing.
Wanneer zullen we werkende kwantumcomputers echte problemen zien oplossen?
De eerste transistor werd gemaakt in 1947. De eerste geïntegreerde schakeling was in 1958. Intel's eerste microprocessor - die ongeveer 2500 transistors bevatte - kwam pas in 1971 uit. Elk van deze mijlpalen is gescheiden door meer dan een decennium. Mensen denken dat kwantumcomputers om de hoek staan, maar de geschiedenis laat zien dat vooruitgang tijd kost. Als we over 10 jaar een kwantumcomputer hebben met een paar duizend qubits, zal dat de wereld zeker veranderen, net zoals de eerste microprocessor deed.
Ilya Khel
