Hvorfor er videnskabsmænd så begejstrede for en nylig hævdet kvantecomputermilepæl?

En kvantecomputer kan have løst et problem på få minutter, der ville tage den hurtigste konventionelle supercomputer mere end 10, 000 år. Et udkast til et papir fra Google-forskere, der beskriver præstationen, lækket i de seneste dage, satte gang i en lavine af nyhedsdækning og spekulationer.

Selvom forskningen endnu ikke er blevet peer-reviewed - den endelige version af papiret forventes at dukke op snart - hvis det hele tjekker ud, ville det repræsentere "den første beregning, der kun kan udføres på en kvanteprocessor."

Det lyder imponerende, men hvad betyder det?

Quantum computing:det grundlæggende

For at forstå hvorfor kvantecomputere er en stor sag, vi skal tilbage til det konventionelle, eller digital, computere.

En computer er en enhed, der tager et input, udfører en række instruktioner, og producerer et output. I en digital computer, disse input, instruktioner og output er alle sekvenser af 1'ere og 0'ere (individuelt kaldet bits).

En kvantecomputer gør det samme, men den bruger kvante stykker, eller qubits. Hvor en bit kun antager en af ​​to værdier (1 eller 0), en qubit bruger kvantemekanikkens komplekse matematik, giver et rigere sæt af muligheder.

At bygge kvantecomputere kræver fænomenal teknik. De skal isoleres for at sikre, at intet interfererer med de sarte kvantetilstande af qubits. Det er derfor, de opbevares i vakuumkamre, der indeholder færre partikler end det ydre rum, eller i køleskabe, der er koldere end noget andet i universet.

Men samtidig, du har brug for en måde at interagere med qubits for at udføre instruktioner på dem. Vanskeligheden ved denne balancegang betyder, at størrelsen af ​​kvantecomputere er vokset langsomt.

Imidlertid, efterhånden som antallet af qubits, der er forbundet sammen i en kvantecomputer, vokser, det bliver eksponentielt mere kompliceret at efterligne dens adfærd med en digital computer. Tilføjelse af en enkelt qubit til din kvantecomputer kan fordoble den tid, det ville tage en digital computer at udføre tilsvarende beregninger.

Når du får op til 53 qubits – det er hvor mange der er i Sycamore-chippen, som Google-forskerne bruger – kan kvantecomputeren hurtigt udføre beregninger, der ville tage vores største digitale computere (supercomputerklynger) tusinder af år.

Hvad er kvanteoverherredømme?

Kvantecomputere vil ikke være hurtigere end digitale computere til alt. Vi ved, at de vil være gode til at faktorisere store tal (hvilket er dårlige nyheder for onlinesikkerhed) og simulere nogle fysiske systemer som komplekse molekyler (hvilket er gode nyheder for medicinsk forskning). Men i mange tilfælde vil de ikke have nogen fordel, og forskere er stadig ved at finde ud af præcis, hvilke slags beregninger de kan fremskynde og hvor meget.

Kvanteoverherredømme var navnet på det hypotetiske punkt, hvor en kvantecomputer kunne udføre en beregning, som ingen tænkelig digital computer kunne udføre inden for rimelig tid.

Google-forskerne ser nu ud til at have udført en sådan beregning, selvom selve regnestykket ved første øjekast er uinspirerende.

Opgaven er at udføre en sekvens af tilfældige instruktioner på kvantecomputeren, output derefter resultatet af at se på dets qubits. For et stort nok antal instruktioner, dette bliver meget svært at efterligne med en digital computer.

Nyttige kvantecomputere er stadig ikke i syne

Ideen om kvanteoverherredømme er populær, fordi det er en forståelig milepæl - en værdifuld valuta i det stærkt konkurrenceprægede område af kvantecomputerforskning.

Googles præstation er teknisk imponerende, fordi den krævede fuld programmerbarhed på 53-qubit-chippen. Men den udførte opgave var designet specifikt til at demonstrere kvanteoverherredømme, og intet mere. Det vides ikke, om en sådan enhed kan udføre andre beregninger, som en digital computer ikke også kan udføre. Med andre ord, dette signalerer ikke ankomsten af ​​kvanteberegning.

En brugbar kvantecomputer til generelle formål skal være meget større. I stedet for 53 qubits, det vil kræve millioner. (Strengt taget, det vil kræve tusindvis af næsten fejlfrie qubits, men at producere dem vil involvere millioner af støjende qubits som dem i Google-enheden.)

Allestedsnærværende kvanteberegning er stadig langt nok væk til, at forsøg på at forudsige, hvornår det vil ske, og hvilke nyttige opgaver det i sidste ende vil blive brugt til, er en opskrift på forlegenhed, fordi historien lærer os, at uforudsete applikationer vil blomstre, efterhånden som adgang til nye værktøjer bliver tilgængelige.

Et nyt værktøj til videnskaben

Fra et videnskabeligt synspunkt, fremtiden for kvanteberegning er nu meget mere spændende.

På den ene side, kvanteberegning er konfronterende. På samme måde kunne output fra tidlige digitale computere verificeres ved håndberegninger, outputtet fra kvantecomputere har indtil nu været verificerbare af digitale computere.

Dette er ikke længere tilfældet. Men det er godt, fordi nu giver disse nye enheder os nye videnskabelige værktøjer. Bare det at køre disse enheder producerer eksotisk fysik, som vi aldrig har mødt i naturen. Simulering af kvantefysik i dette nye regime kunne give ny indsigt i alle videnskabsområder, hele vejen fra mere detaljerede forståelser af biologiske processer til at undersøge de mulige effekter kvantefysikken har på rumtiden.

Kvanteberegning repræsenterer et grundlæggende skift, der nu er undervejs. Det mest spændende er ikke, hvad vi kan gøre med en kvantecomputer i dag, men de uopdagede sandheder vil den afsløre i morgen.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.