I et laboratorium i Broomfield, Colorado, er 98 atomer suspendert i luften, holdt på plass av et elektrisk felt og avkjølt til temperaturer nær absolutt null.
Selv om hvert atom er mye mindre enn noe som er synlig for det blotte øye, bærer hvert atom informasjon i en form som er usynlig for klassisk fysikk.
Sammen danner de Helios, en ny kvantedatamaskin bygget av det britisk-amerikanske selskapet Quantinuum. Kvantedatamaskiner utnytter kraften til kvantemekanikken, reglene som styrer hvordan fysikk fungerer på atomær og subatomær skala. Å bruke Helios’ suspenderte atommodell er kjent som et fanget ion.
Om støtte til vitenskapsjournalistikk
Hvis du liker denne artikkelen, kan du vurdere å støtte vår prisvinnende journalistikk. Du abonnerer. Ved å kjøpe et abonnement bidrar du til å sikre fremtiden til innflytelsesrike historier om oppdagelsene og ideene som former vår verden i dag.
En artikkel publisert i Nature beskriver den som en 98-qubit-prosessor med ekstremt høy nøyaktighet og ytelse, utover det som enkelt kan simuleres i eksisterende systemer. Selv om det høres imponerende ut, er det viktige spørsmålet ikke bare om dette er en større kvantedatamaskin (det forrige største systemet, modell H2, hadde 56 qubits). Det er om det er bedre eller ikke.
Kvantedatamaskiner er ikke raskere versjoner av vanlige datamaskiner. Qubits (kvantebiter) som brukes til å behandle informasjon kan eksistere i kvantetilstander som ikke oppfører seg som 1-tallet og 0-tallet til konvensjonell digital teknologi.
Dette gjør at noen beregninger kan ordnes på en måte som til slutt kan overgå ytelsen til de største superdatamaskinene. De mulige bruksområdene er veldig fascinerende. Det er nye materialer, bedre optimaliseringsmetoder, forbedrede kjemiske simuleringer og nye tilnærminger til kryptografi.
Problemet er at qubits er veldig skjøre. Temperaturendringer, ufullkommen kontroll, uønsket interaksjon med miljøet, og i noen systemer til og med handlingen med å flytte informasjon rundt på enheten, er forstyrrende.
Av denne grunn er kvanteberegningsløpet ikke begrenset til å ha flere qubits. Tanken er å ha bedre qubits som kontrolleres nøyaktig nok til å utføre lange og meningsfulle beregninger.
Hvorfor er det viktig?
Derfor er resultatene til Helios viktige. Kvantedatabehandling har lovet å forandre verden i flere tiår, men mange kunngjøringer har fortsatt en tendens til å fokusere på antall qubits.
Dette er som å dømme et løp etter antall løpere på startstreken. Det som betyr noe er hvor mange som kommer i mål og under hvilke forhold. Helios tar begge sider av den utfordringen på alvor. Ikke bare er 98 qubits relativt store; Vi rapporterer også svært lave feilprosent i denne skalaen.
Feil er mer vanlig i kvantedatamaskiner enn i klassiske datamaskiner, så feilretting er en stor utfordring på dette feltet.
Nature-papiret antyder at den gjennomsnittlige feilraten for Helios’ single-qubit-porter er omtrent 2,5 av 100 000. Kvanteporter er komponenter i kvantedatakretser. For Helios to-qubit-porter, som er vanskeligere og viktigere for nyttige beregninger, er den gjennomsnittlige feilraten 7,9 av 10.000. Dette tilsvarer den beste demonstrasjonen av omtrent 5 feil av 10 000.
Kvanteoperasjoner er kumulative. En liten feil i ett trinn er kanskje ikke særlig signifikant, men en nyttig kvantealgoritme kan kreve tusenvis, millioner eller flere operasjoner. En lavere feilrate betyr at mer komplekse beregninger er mulig før kvanteinformasjonen separeres.
En annen bemerkelsesverdig funksjon ved Helios er All-to-All-tilkoblingen. I mange kvantedatamaskiner kan qubits bare samhandle med sine nærmeste naboer, som en person som bare kan snakke med personen som sitter ved siden av ham. Når to fjerne qubits må samhandle, må informasjonen bevege seg gjennom en rekke mellomtrinn. Hvert ekstra trinn legger til tid og feil.
I Helios kan enhver qubit i prinsippet samhandle med hvilken som helst annen qubit. Dette er spesielt nyttig for algoritmer der de nødvendige interaksjonsmønstrene ikke passer pent inn i et fast rutenett.
kvantejernbane
Maskinvaren bak dette er også interessant. Ion-felle kvantedatamaskiner, som Helios, bruker ladede atomer som qubits. Disse ionene holdes ved hjelp av et elektrisk felt og manipuleres med laserpulser.
Denne tilnærmingen er kjent for sin høye nøyaktighet, men å skalere den opp mens nøyaktigheten opprettholdes er teknisk vanskelig. Helios bruker bariumioner i sin quantum charge-coupled device (QCCD) arkitektur. En nyttig måte å beskrive den på er å se den som en bitteliten kvantejernbane.
Ioner kan lagres i et minneområde og fysisk flyttes til et operasjonsområde når et dataprogram må utføre en beregning ved hjelp av en spesifikk qubit. I disse arbeidsområdene utfører nøye kontrollerte laserpulser de grunnleggende trinnene i kvantealgoritmer kjent som kvanteporter. Disse portene lar datamaskiner behandle informasjon ved å endre kvantetilstanden til ett ion eller koble tilstandene til to ioner sammen. I Helios hjelper ringformede lagringsområder og koblinger med å transportere ioner rundt enheten.
Denne separasjonen av lagring, bevegelse og beregning er ikke bare smart konstruksjon. Dette er et tegn på at kvantedatabehandling beveger seg nærmere å være et komplett databehandlingssystem i stedet for bare en samling av imponerende laboratoriekomponenter.
Maskinen bruker også programvare som kan ta ruting og kontrollere beslutninger mens programmet kjører. I praksis betyr dette å bestemme hvilke fysiske ioner som representerer hver qubit, hvilke ioner som skal bevege seg inn i operasjonsområdet, og i hvilken rekkefølge kvanteportene skal utføre. Dette er viktig for avanserte kvanteprogrammer, spesielt de der senere trinn kan avhenge av målinger gjort under beregningen.
Og papiret rapporterer at Helios kan kjøre tilfeldige kvantekretser som er svært vanskelige å simulere på konvensjonelle maskiner. Dette er en viktig målestokk, men det er ikke det samme som å ha en generelt nyttig kvantedatamaskin. Tilfeldig kretsprøvetaking tester ytelsen og kompleksiteten til maskiner. I seg selv vil det ikke løse problemene med medisin, klimavitenskap eller ingeniørfag.
Så hvor mye fremgang har Helios gjort? Dette er alvorlig, om ikke startpunktet for kvanterevolusjonen, ettersom den integrerer skala, nøyaktighet, tilkobling og programmerbarhet i én maskin.
Dette minner oss om at innovative teknologier sjelden tar av med ett sprang. Det umulige bygges trinn for trinn, atom for atom, til det virker konstruert.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på: samtale. lese originalartikkel.