Kompleksitet, Troskab, ansøgning:Forskere skitserer planen for kvanteoverherredømme

Tingene bliver virkelige for forskere i UC Santa Barbara John Martinis/Google -gruppen. De gør godt ud af deres intentioner om at erklære overherredømme i et stramt globalt løb om at bygge den første kvantemaskine, der overgår verdens bedste klassiske supercomputere.

Men hvad er kvanteoverherredømme på et område, hvor horisonter udvides regelmæssigt, hvor teams af de klareste kvanteberegningssind i verden rutinemæssigt øger ante om antallet og typen af ​​kvantebit ("qubits"), de kan bygge, hver med deres egen række kvaliteter?

"Lad os definere det, fordi det er lidt uklart, "sagde Google -forsker Charles Neill. Kort sagt, han fortsatte, "vi vil gerne udføre en algoritme eller beregning, der ikke kunne gøres på anden måde. Det er det, vi egentlig mener."

Neill er hovedforfatter til gruppens nye papir, "En blueprint til demonstration af kvanteoverherredømme med superledende qubits, "nu offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Heldigvis, naturen byder på mange sådanne komplekse situationer, hvor variablerne er så mange og indbyrdes afhængige, at klassiske computere ikke kan holde alle værdierne og udføre operationerne. Tænk kemiske reaktioner, væskeinteraktioner, selv kvantefaseændringer i faste stoffer og et væld af andre problemer, der tidligere har skræmt forskere. Noget i størrelsesordenen mindst 49 qubits - omtrent svarende til en petabyte (en million gigabyte) klassisk random access -hukommelse - kunne sætte en kvantecomputer på lige fod med verdens supercomputere. For nylig, Neills Google/Martinis-kolleger annoncerede en indsats mod kvanteoverherredømme med en 72-qubit-chip, der besidder en "bristlecone" -arkitektur, der endnu ikke skal sættes i gang.

Men ifølge Neill, det er mere end antallet af qubits ved hånden.

"Du er nødt til at generere en slags evolution i systemet, der får dig til at bruge enhver tilstand, der har et navn, der er knyttet til det, "sagde han. Magten i kvanteberegning ligger i, blandt andet, superpositionering af stater. I klassiske computere, hver bit kan eksistere i en af ​​to tilstande - nul eller en, slukket eller tændt, sandt eller falsk - men qubits kan eksistere i en tredje tilstand, der er en superposition af både nul og en, øge eksponentielt antallet af mulige tilstande, et kvantesystem kan undersøge.

Derudover siger forskerne, troskab er vigtigt, fordi massiv behandlingskraft ikke er meget værd, hvis den ikke er præcis. Dekoherens er en stor udfordring for alle, der bygger en kvantecomputer - forstyrrer systemet, oplysningerne ændres. Vent et par hundrededele af et sekund for længe, oplysningerne ændres igen.

"Folk kan bygge 50 qubit -systemer, men du er nødt til at spørge, hvor godt det har beregnet det, du ville have det til at beregne, "Sagde Neill." Det er et kritisk spørgsmål. Det er den sværeste del af feltet. "Eksperimenter med deres superledende qubits har vist en fejlprocent på en procent pr. Qubit med tre- og ni-qubit-systemer, hvilken, de siger, kan reduceres, når de skaleres op, via forbedringer i hardware, kalibrering, materialer, arkitektur og maskinlæring.

Bygger et qubit -system komplet med fejlkorrektionskomponenter - forskerne anslår et område på 100, 000 til en million qubits - er gennemførlig og en del af planen. Og stadig år tilbage. Men det betyder ikke, at deres system ikke allerede er i stand til at gøre nogle tunge løft. For nylig blev den indsat, med spektroskopi, om spørgsmålet om mange-krops lokalisering i en kvantefaseændring-en kvantecomputer, der løser et kvantestatistisk mekanisk problem. I det eksperiment, ni-qubit systemet blev en kvantesimulator, ved hjælp af fotoner, der hopper rundt i deres array til at kortlægge udviklingen af ​​elektroner i et system med stigende, alligevel stærkt kontrolleret, sygdom.

"En god grund til, at vores troskab var så høj, er fordi vi er i stand til at nå komplekse stater på meget kort tid, "Forklarede Neill. Jo hurtigere et system kan undersøge alle mulige tilstande, jo bedre forudsigelse af, hvordan et system vil udvikle sig, han sagde.

Hvis alt går glat, Verden burde snart se en praktisk UCSB/Google -kvantecomputer. Forskerne er ivrige efter at sætte det igennem sine skridt, få svar på spørgsmål, der engang kun var tilgængelige via teori, ekstrapolering og højt uddannet gæt - og åbner et helt nyt niveau af eksperimenter og forskning.

"Det er bestemt meget spændende, "sagde Google -forsker Pedram Roushan, der ledede kvantesimuleringsarbejdet med mange krop, der blev offentliggjort i Videnskab i 2017. De forventer, at deres tidlige arbejde forbliver tæt på hjemmet, såsom forskning inden for kondenseret fysik og kvantestatistisk mekanik, men de planlægger at forgrene sig til andre områder, herunder kemi og materialer, efterhånden som teknologien bliver mere forfinet og tilgængelig.

"For eksempel, at vide, om et molekyle ville danne en binding eller reagere på en anden måde med et andet molekyle for en ny teknologi ... der er nogle vigtige problemer, som du ikke kan groft estimere; de er virkelig afhængige af detaljer og meget stærk beregningskraft, "Sagde Roushan, antyder, at de et par år senere kan være i stand til at give bredere adgang til denne computerkraft. "Så du kan få en konto, log ind og udforsk kvanteverdenen. "