En kvantecomputer til at tackle grundlæggende videnskabelige problemer

I mere end 50 år har Moores lov har regeret øverst. Iagttagelsen af, at antallet af transistorer på en computerchip fordobles omtrent hvert andet år, har sat tempoet for vores moderne digitale revolution – fremstilling af smartphones, personlige computere og nuværende supercomputere muligt. Men Moores lov bremser. Og selvom det ikke var, nogle af de store problemer, som forskere skal tackle, kan være uden for rækkevidde af konventionelle computere.

I de sidste par år, forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har undersøgt en drastisk anderledes computingarkitektur baseret på kvantemekanik for at løse nogle af videnskabens hårdeste problemer. Med Laboratory Directed Research and Development (LDRD) finansiering, de har udviklet kvantekemi og optimeringsalgoritmer, samt prototype superledende kvanteprocessorer. For nylig, de beviste levedygtigheden af ​​deres arbejde ved at bruge disse algoritmer på en kvanteprocessor omfattende to superledende transmon -kvantebits til med succes at løse det kemiske problem med at beregne det fulde energispektrum for et brintmolekyle.

Nu, to forskerhold ledet af Berkeley Lab-medarbejdere vil modtage finansiering fra Department of Energy (DOE) for at bygge videre på dette momentum. Et hold vil modtage $1,5 millioner over tre år til at udvikle nye algoritmer, kompilering af teknikker og planlægningsværktøjer, der gør det muligt at bruge kortsigtede quantum computing-platforme til videnskabelig opdagelse i de kemiske videnskaber. Det andet hold vil arbejde tæt sammen med disse forskere for at designe prototype fire- og otte-qubit-processorer til at beregne disse nye algoritmer. Dette projekt vil vare fem år, og forskerne vil modtage $1,5 millioner for deres første års arbejde. I år fem, hardware-teamet håber at demonstrere en 64-qubit processor med fuld kontrol.

"En skønne dag, universelle kvantecomputere vil kunne løse en lang række problemer, fra molekylært design til maskinlæring og cybersikkerhed, men det er vi langt fra. Så, det spørgsmål, vi i øjeblikket stiller, er, om der er specifikke problemer, som vi kan løse med mere specialiserede kvantecomputere, " siger Irfan Siddiqi, Berkeley Lab Scientist og grundlægger af Center for Quantum Coherent Science ved UC Berkeley.

Ifølge Siddiqi, nutidens kvantekohærente computerteknologier har de nødvendige sammenhængstider, logiske operationer og kredsløbstopologier til at udføre specialiserede beregninger til grundforskning inden for områder som molekylær- og materialevidenskab, numerisk optimering og højenergifysik. I lyset af disse fremskridt, han bemærker, at det er på tide for DOE at undersøge, hvordan disse teknologier kan integreres i det højtydende computerfællesskab. På disse nye projekter, Berkeley Lab-teamene vil arbejde sammen med samarbejdspartnere i industrien og den akademiske verden for at bygge videre på disse fremskridt og tackle vanskelige DOE-mission videnskabelige problemer såsom beregning af molekylær systemdynamik og kvantemaskinlæring.

"Vi er i de tidlige stadier af kvanteberegning, lidt ligesom hvor vi var med konventionel computing i 1940'erne. Vi har noget af hardware, nu skal vi udvikle et robust sæt software, algoritmer og værktøjer til optimalt at udnytte det til at løse virkelig hårde videnskabelige problemer, "siger Bert de Jong, der leder Computational Chemistry, Materialer og klimagruppe i Berkeley Labs Computational Research Division (CRD).

Han skal stå i spidsen for et DOE Quantum Algorithms Team bestående af forskere fra Berkeley Lab, Harvard, Argonne National Lab og UC Berkeley fokuserede på "Quantum Algorithms, Matematik og kompileringsværktøjer til kemiske videnskaber."

"Berkeley Labs tradition for teamvidenskab, såvel som dens nærhed til UC Berkeley og Silicon Valley, gør det til et ideelt sted at arbejde med quantum computing end-to-end, "siger Jonathan Carter, Vicedirektør for Berkeley Lab Computing Sciences. "Vi har fysikere og kemikere på laboratoriet, der studerer kvantemekanikkens grundvidenskab, ingeniører til at designe og fremstille kvanteprocessorer, samt dataloger og matematikere for at sikre, at hardwaren vil være i stand til effektivt at beregne DOE-videnskab."

Carter, Siddiqi og Lawrence Livermore National Laboratory's Jonathan DuBois vil lede DOE's Advanced Quantum-Enabled Simulation (AQuES) Testbed-projekt.

Udfordring med kvantesammenhæng

Nøglen til at bygge kvantecomputere, der løser videnskabelige problemer uden for konventionelle computere, er "kvantesammenhæng". Dette fænomen tillader i det væsentlige kvantesystemer at gemme meget mere information pr. Bit end i traditionelle computere.

I en konventionel computer, kredsløbene i en processor omfatter milliarder af transistorer - små switches, der aktiveres af elektroniske signaler. Cifrene 1 og 0 bruges binært til at afspejle tænd- og sluktilstandene for en transistor. Det er i det væsentlige, hvordan oplysninger gemmes og behandles. Når programmører skriver computerkode, en oversætter omdanner det til binære instruktioner - 1'ere og 0'er - som en processor kan udføre.

I modsætning til en traditionel bit, en kvantebit (qubit) kan påtage sig noget kontraintuitive kvantemekaniske egenskaber som sammenfiltring og superposition. Kvantesammenfiltring opstår, når par eller grupper af partikler interagerer på en sådan måde, at hver partikels tilstand ikke kan beskrives individuelt; i stedet skal staten beskrives for systemet som helhed. Med andre ord, sammenfiltrede partikler fungerer som en enhed. Superposition opstår, når en partikel eksisterer i en kombination af to kvantetilstande samtidigt.

Så mens en konventionel computerbit koder information som enten 0 eller 1, en qubit kan være 0, 1 eller en superposition af tilstande (både 0 og 1 på samme tid). En qubits evne til at eksistere i flere tilstande betyder, at den kan, for eksempel, muliggøre beregning af materiale og kemiske egenskaber betydeligt hurtigere end traditionelle computere. Og hvis disse qubits kunne forbindes eller vikles ind i en kvantecomputer, problemer, der ikke kan løses i dag med konventionelle computere, kunne løses.

Men at få qubits til denne tilstand af kvantesammenhæng, hvor de kan drage fordel af kvantemekaniske egenskaber og derefter få mest ud af dem, når de er i denne tilstand, er stadig en udfordring.

"Quantum computing er som at spille et skakspil, hvor brikkerne og brættet er lavet af is. Når spillerne blander sig rundt om brikkerne, komponenterne smelter, og jo flere bevægelser du gør, jo hurtigere vil spillet smelte, " siger Carter. "Qubits mister sammenhæng på meget kort tid, så det er op til os at finde ud af det mest nyttige sæt træk, vi kan foretage. "

Carter bemærker, at Berkeley Lab-tilgangen til at co-designe kvanteprocessorerne i tæt samarbejde med forskerne, der udvikler kvantealgoritmer, kompileringsteknikker og planlægningsværktøjer vil være yderst nyttige til at besvare dette spørgsmål.

"Beregningsmetoder er almindelige på tværs af de fleste videnskabelige projekter på Berkeley Lab. Da Moores lov bremser, nye computingarkitekturer, system, og teknikker er blevet et prioriteret initiativ hos Berkeley Lab, siger Horst Simon, Berkeley Labs vicedirektør. "Vi erkendte tidligt, hvordan kvantesimulering kunne give en effektiv tilgang til nogle af de mest udfordrende beregningsmæssige problemer i videnskaben, og jeg er glad for at se anerkendelse af vores LDRD -initiativ gennem denne første direkte finansiering. Kvanteinformationsvidenskab vil blive et stadig vigtigere element i vores forskningsvirksomhed på tværs af mange discipliner."

Fordi dette felt stadig er i sine tidlige dage, der er mange tilgange til at bygge en kvantecomputer. De Berkeley Lab-ledede hold vil undersøge superledende kvantecomputere.

For at designe og fremstille den næste generation af kvanteprocessorer, AQuES-teamet vil udnytte det superledende kredsløbsanlæg i UC Berkeleys Quantum Nanoelectronics Laboratory, mens de inddrager ekspertisen fra forskere i Berkeley Labs Accelerator Technology og Applied Physics, Afdelinger for materialevidenskab og teknik. Forskningsteamene vil også bruge de unikke muligheder for to DOE -faciliteter; Molecular Foundry og National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), begge placeret på Berkeley Lab.