Chicago Quantum Exchange tager de første skridt mod en fremtid, der kan revolutionere computere og medicin

Glimt af, hvad der kan blive en transformativ ny teknologi, strømmer gennem et netværk af optiske fibre under Chicago.

Forskere har skabt et af verdens største netværk til deling af kvanteinformation – et videnskabsområde, der afhænger af paradokser, der er så mærkelige, at Albert Einstein ikke troede på dem.

Netværket, som forbinder University of Chicago med Argonne National Laboratory i Lemont, er en rudimentær version af, hvad videnskabsmænd håber på en dag at blive fremtidens internet. Indtil videre er det åbnet op for virksomheder og forskere at teste det grundlæggende i kvanteinformationsdeling.

Netværket blev annonceret i denne uge af Chicago Quantum Exchange – som også involverer Fermi National Accelerator Laboratory, Northwestern University, University of Illinois og University of Wisconsin.

Med en føderal investering på $500 millioner i de seneste år og $200 millioner fra staten udgør Chicago, Urbana-Champaign og Madison en førende region for kvanteinformationsforskning.

Hvorfor betyder dette noget for den gennemsnitlige person? Fordi kvanteinformation har potentialet til at hjælpe med at knække aktuelt uløselige problemer, både truer og beskytter privat information og fører til gennembrud inden for landbrug, medicin og klimaændringer.

Mens klassisk databehandling bruger informationsbits, der indeholder enten et 1 eller nul, er kvantebits eller qubits som en mønt vendt i luften – de indeholder både et 1 og nul, som skal bestemmes, når det er observeret.

Den kvalitet ved at være i to eller flere tilstande på én gang, kaldet superposition, er et af kvantemekanikkens mange paradokser – hvordan partikler opfører sig på atom- og subatomært niveau. Det er også en potentielt afgørende fordel, fordi den kan håndtere eksponentielt mere komplekse problemer.

Et andet nøgleaspekt er egenskaben ved sammenfiltring, hvor qubits adskilt af store afstande stadig kan korreleres, så en måling på ét sted afslører en måling langt væk.

Det nyligt udvidede Chicago-netværk, skabt i samarbejde med Toshiba, distribuerer lyspartikler, kaldet fotoner. At forsøge at opsnappe fotonerne ødelægger dem og den information, de indeholder - hvilket gør det langt sværere at hacke.

Det nye netværk giver forskere mulighed for at "skubbe grænserne for, hvad der i øjeblikket er muligt," sagde professor ved University of Chicago, David Awschalom, direktør for Chicago Quantum Exchange.

Forskere skal dog løse mange praktiske problemer, før storskala kvanteberegning og netværk er mulig.

For eksempel arbejder forskere ved Argonne på at skabe et "støberi", hvor pålidelige qubits kan smedes. Et eksempel er en diamantmembran med små lommer til at holde og behandle qubits af information. Forskere ved Argonne har også skabt en qubit ved at fryse neon til at holde en enkelt elektron.

Fordi kvantefænomener er ekstremt følsomme over for enhver forstyrrelse, kan de også bruges som bittesmå sensorer til medicinske eller andre applikationer – men de skal også gøres mere holdbare.

Kvantenetværket blev lanceret i Argonne i 2020, men er nu udvidet til Hyde Park og åbnet til brug for virksomheder og forskere til at teste nye kommunikationsenheder, sikkerhedsprotokoller og algoritmer. Ethvert foretagende, der er afhængigt af sikker information, såsom bankers økonomiske optegnelser over hospitalsjournaler, ville potentielt bruge et sådant system.

Kvantecomputere, mens de er i udvikling nu, vil måske en dag være i stand til at udføre langt mere komplekse beregninger end nuværende computere, såsom foldeproteiner, som kunne være nyttige til at udvikle lægemidler til behandling af sygdomme som Alzheimers.

Ud over at drive forskningen stimulerer kvanteområdet økonomisk udvikling i regionen. Et hardwarefirma, EeroQ, meddelte i januar, at det flytter sit hovedkvarter til Chicago. Et andet lokalt softwarefirma, Super.tech, blev for nyligt opkøbt, og flere andre er ved at starte op i regionen.

Fordi kvantecomputere kunne bruges til at hacke ind i traditionel kryptering, har det også tiltrukket sig bipartisk opmærksomhed fra føderale lovgivere. National Quantum Initiative Act blev underskrevet af præsident Donald Trump i 2018 for at fremskynde kvanteudvikling til nationale sikkerhedsformål.

I maj pålagde præsident Joe Biden det føderale agentur at migrere til kvanteresistent kryptografi på dets mest kritiske forsvars- og efterretningssystemer.

Ironisk nok er grundlæggende matematiske problemer, såsom 5+5=10, noget vanskelige gennem kvanteberegning. Kvanteinformation vil sandsynligvis blive brugt til avancerede applikationer, mens klassisk databehandling sandsynligvis fortsat vil være praktisk til mange daglige brug.

Den kendte fysiker Einstein hånede berømt kvantemekanikkens paradokser og usikkerheder og sagde, at Gud ikke "spiller terninger" med universet. Men kvanteteorier er blevet bevist korrekte i anvendelser fra atomenergi til MRI'er.

Stephen Gray, seniorforsker ved Argonne, der arbejder på algoritmer til at køre på kvantecomputere, sagde, at kvantearbejde er meget vanskeligt, og at ingen forstår det fuldt ud.

Men der har været en betydelig udvikling på området i løbet af de sidste 30 år, hvilket har ført til, hvad nogle videnskabsmænd i spøg kaldte Quantum 2.0, med praktiske fremskridt, der forventes i løbet af det næste årti.

"Vi satser på, at der inden for de næste fem til 10 år vil være en sand kvantefordel (i forhold til klassisk databehandling)," sagde Gray. "Vi er der ikke endnu. Nogle nej-sigere ryster deres stokke og siger, at det aldrig kommer til at ske. Men vi er positive."

Ligesom tidligt arbejde på konventionelle computere til sidst førte til mobiltelefoner, er det svært at forudsige, hvor kvanteforskningen vil føre hen, sagde Brian DeMarco, professor i fysik ved University of Illinois i Urbana-Champaign, som arbejder med Chicago Quantum Exchange.

"Det er derfor, det er en spændende tid," sagde han. "De vigtigste applikationer er endnu ikke opdaget." + Udforsk yderligere

Kvantecomputerprogrammering til dummies

2022 Chicago Tribune.
Distribueret af Tribune Content Agency, LLC.