Kwantumcomputers, zoals dit IBM-model, zien eruit alsof sciencefiction tot leven komt.
(Credit: Graham Carlow voor IBM) De enorme kruising van Janes Avenue en East Boughton Road in Bolingbrook, Illinois, lijkt op veel andere kruispunten in een buitenwijk van Amerika.
Een drive-through Starbucks bewaakt 15 rijstroken met draaiende en samenvoegende middelgrote SUV's, de meeste op weg naar de uitgestrekte parkeerplaatsen van het winkelcentrum Promenade in het zuiden, een paar anderen op weg naar de schiettent en wapenwinkel aan de overkant van de Interstate 355 naar het Oosten.
Weinig mensen in de SUV's realiseren zich dat ze een deel van het bloeiende Amerikaanse onderzoek naar kwantuminformatietechnologie achter de rug hebben.
Onder de snelweg teleporteren verstrengelde fotonen - kwantumdeeltjes die met de snelheid van het licht bewegen - van en naar het Argonne National Laboratory in de volgende stad, via hergebruikte glasvezelkabels die een van de langste kwantumnetwerken op het land vormen.
de natie.
(Foto tegoed: Yuichiro Chino / Getty) Onderzoekers hopen de 52-mijls kwantumtestsite in Bolingbrook en soortgelijke te gebruiken om te bewijzen dat je informatie in een kwantumtoestand van materie (zoals een foton) op één locatie kunt vangen, naar ergens anders kunt sturen en er volledig intact toegang toe hebt op het andere einde.
Ze moeten rekening houden met de uitdagingen van bevroren grond, de straling van de zon en trillingen van al die voertuigen die boven hun hoofd rijden, maar als ze het kunnen bewijzen, hebben ze een manier van communiceren bedacht waardoor 5G vreemd lijkt.
Onderzoekers van andere laboratoria proberen tegelijkertijd algoritmen in te voeren in vergelijkbare elementaire toestanden van materie, bekend als kwantumbits, en laat ze aan het einde van de berekening correct getransformeerd uitkomen.
Als dat lukt, hebben ze een geheel nieuw type computer in handen.
Het is voor natuurkundigen al jaren duidelijk dat de lang gevestigde principes van de kwantummechanica een revolutie teweeg kunnen brengen in computers en internet.
Als kwantumbits kunnen worden getemd, kunnen ze algoritmen uitvoeren in slechts een paar seconden, wat anders jaren zou kosten om te voltooien.
Stabiele fotonen zouden informatie onmiddellijk over de hele wereld kunnen overbrengen op een manier die tijdens het transport waarschijnlijk nooit zou kunnen worden gehackt, aangezien elke storing de informatie zou vernietigen.
Voor de rest van ons lijkt de kwantumrevolutie misschien net te zijn getransformeerd van een slaperige wetenschappelijke theorie in de scherpste bloedende randen.
Het is zelfs mogelijk dat we momenteel een soort kwantumbubbel ervaren - en dat deze op het punt staat te barsten.
In 2017 waren de meeste kwantumtestlussen gewoon sluimerende glasvezelkabels en niemand was in staat geweest om kwantumbits te krijgen om informatie betrouwbaar te verwerken op dezelfde manier als klassieke computers.
Nu zijn er meer dan een dozijn werkende kwantumcomputers over de hele wereld, waarvan een paar elke softwareontwikkelaar toegang heeft via bekende services: bijvoorbeeld een Amazon Web Services-account.
In de afgelopen twee jaar heeft Amerika meer dan $ 1 miljard aan overheidsgeld uitgetrokken voor onderzoek naar quantuminformatie, hebben quantum computing-startups meerdere financieringsrondes afgesloten en IBM kondigde aan dat het plannen maakt om een ??computer te bouwen met meer dan een miljoen kwantumbits, gestegen van een maximum van ongeveer 60 vandaag.
Ondanks de vooruitgang die in een razend tempo komt, erkennen veel van de mensen die in het ontluikende veld van de kwantuminformatiewetenschap werken dat kwantumtoestanden nog niet betrouwbaar of goed genoeg begrepen zijn om traditionele computers en internet te vervangen.
Sommigen denken dat ze dat nooit zullen zijn - dat niemand ooit een telefoon met kwantumbits zal kopen in plaats van een Apple A12 Bionic, en dat kwantumbits en andere elementaire deeltjes voor altijd zullen worden gedegradeerd tot wetenschappelijk onderzoek.
Wat is kwantumcomputers?
Een computer die is opgebouwd uit kwantumbits - kortweg qubits - is in feite een verzameling schakelingen.
Net als bij een klassieke computer die uit bits bestaat, gaan de invoerwaarden door een reeks logische poorten in het circuit, die elk de waarde wijzigen om een ??uitvoer te produceren.
Het belangrijkste verschil tussen kwantumcomputers en klassiek computergebruik is dat bits binair zijn.
Ze zijn omhoog of omlaag, open of gesloten, nul of één.
Qubits, aan de andere kant, kunnen verstrengeld zijn - aanwezig in meerdere staten tegelijk, een zogenaamde superpositie? (Bekijk de video hierboven, van Rigetti Computing, voor meer details.)
Als u een complex algoritme probeert op te lossen, bijvoorbeeld als onderdeel van een softwaretoepassing die op een klassieke computer wordt uitgevoerd, moet u meerdere bits van nullen en enen aan elkaar rijgen.
Maar als je een algoritme uitvoert met qubits, heb je misschien maar één qubit in een superpositie nodig om al die klassieke bits te vervangen.
Rijg meerdere qubits aan elkaar tot een kwantumcircuit en de mogelijkheden zijn verbluffend.
Theoretisch zou je een algoritme kunnen uitvoeren dat zo complex is dat er geen analogie is met klassieke computers zoals wij die kennen.
Het moeilijkste probleem om op te lossen bij het verbeteren van kwantumcomputers en communicatie is de kwetsbaarheid van de kwantumtoestand van materie.
We beginnen reizende kwantumdeeltjes te beschermen tegen de effecten van weer en wegtrillingen, maar alleen in testloops - niet over de duizenden kilometers die nodig zijn om het huidige internet te vervangen.
Evenzo heeft nog niemand bedacht hoe qubits betrouwbaar kunnen werken, zelfs niet in een gecontroleerde laboratoriumomgeving.
IBM Quantum 27-qubit Falcon-chip met kwantumvolume 64 (Photo credit: JIBM) Ze werken goed genoeg in kleine groepen en beperken zich tot specifieke soorten berekeningen, zoals IBM eerder dit jaar aantoonde met behulp van een stabiele 27-qubit-computer genaamd Falcon.
Ze zijn vooral handig voor testdoeleinden: onderzoekers kunnen ze problemen geven met bekende oplossingen en vervolgens hun antwoorden valideren.
Maar tot nu toe zijn qubits te kwetsbaar gebleken om betrouwbaar te functioneren in grotere groepen, wat hun vermogen om af te studeren van bèta en nauwkeurig elke berekening uit te voeren die een klassieke computer zou doen, effectief beperkt.
"Terwijl we het aantal qubits uitbreiden, kun je een veel gevarieerder aantal kwantumcircuits verkennen", zegt Jerry Chow, senior manager van de Experimental Quantum Computing Group bij IBM.
Was het maar zo simpel.
Het "lossy qubit" -probleem, zoals Chow het stelt, betekent dat delen van elke kwantumcomputer die vandaag de dag bestaat, alleen worden gebruikt om fouten in hun berekeningen op te lossen, in plaats van de berekeningen zelf uit te voeren.
Het kwantumvolume van een computer, een numerieke waarde die het maximale potentieel beschrijft om berekeningen uit te voeren, is altijd kleiner dan het aantal qubits dat het bevat.
Evenzo is het aantal fotonen dat hun reis intact begint aan het begin van een reis door een testlus altijd groter dan het aantal dat terugkeert.
Om dit probleem te omzeilen en het volledige potentieel van kwantumcomputers te benutten, werken sommige onderzoekers aan het toevoegen van foutcorrectiecodes, die al in sommige klassieke computers zijn geïmplementeerd.
Anderen onderzoeken alternatieve methoden om kwantumfysica toe te passen op computers zonder poorten en circuits.
Een mogelijkheid is om kwantumdeeltjes te misleiden om achtergrondgeluiden te negeren - bijvoorbeeld trillingen, temperatuurveranderingen en verstrooide elektromagnetische velden - waardoor ze worden afgebroken.
Een team van de University of Chicago maakte in augustus bekend dat ze dit soort bedrog met succes hadden uitgevoerd in een beperkt experiment.
Quantum gloeien is een andere techniek met potentieel.
Het omvat het benutten van fluctuaties in kwantumtoestanden om berekeningen uit te voeren in plaats van ze door poorten in een circuit te sturen.
Sommige in de handel verkrijgbare kwantumcomputers van D-Wave, een klein Canadees bedrijf, gebruiken deze methode.
Maar ze hebben ook last van fouten, en tot dusver zijn ze effectief gebleken in het oplossen van alleen specifieke soorten algoritmen, bijvoorbeeld die gebaseerd op het probleem van de 'handelsreiziger', dat de kortst mogelijke route probeert te vinden tussen een reeks van punten.
Volkswagen gebruikte vorig jaar de aanpak van D-Wave in een experiment om bussen in Lissabon, Portugal, te helpen aan files te ontsnappen.
Het experiment werd een succes verklaard, hoewel het beperkt was tot het meenemen van deelnemers aan een technologieconferentie van de luchthaven naar het congrescentrum.
Jerry Chow, IBM-onderzoeker in de Experimental Quantum Computing-groep, bereidt zich voor op een kwantumexperiment.
(Fotocredit: Jon Simon / Feature Photo Service voor IBM) Het meest beruchte voorbeeld van het lossy qubit-probleem dook op in oktober 2019, toen onderzoekers van Google aankondigden dat ze in 200 seconden een benchmarktest hadden voltooid op een 53-qubit-kwantumcomputer.
De test zou een klassieke supercomputer veel langer hebben gekost - van een paar dagen tot 10.000 jaar, afhankelijk van de specificaties.
Op basis van het experiment, bijgenaamd Sycamore, beweerde Google te hebben bereikt kwantum suprematie, of het bewijs dat een kwantumcomputer sneller met een algoritme kan omgaan dan een klassieke computer, zonder fouten te maken.
Het is een soort heilige graal op het gebied van kwantuminformatiewetenschap, en Google-CEO Sundar Pichai noemde het snel als het 'hallo-wereld'-moment van kwantumcomputers.
Kort daarna betwistten onderzoekers echter of het experiment zo belangrijk was als Google beweerde, waardoor een buzzworthy ruzie ontstond.
Voor Wiliam Oliver, een natuurkundige aan het MIT die qubits bestudeert, is het grotere probleem met kwantumsuprematie niet of het al dan niet bestaat, maar wanneer het kapot gaat.
“De meeste mensen in de wereld denken [Google] heeft het bereikt, 'zei hij over Sycamore.
"Maar als ze nog een paar qubits hadden toegevoegd, hadden ze het niet kunnen doen." Oliver denkt dat de voordelen van kwantumcomputers meer zijn dan alleen de suprematie ten opzichte van klassieke computers.
De echte heilige graal, zegt hij, is dat kwantumcomputers "alles gedurende een bepaalde tijd foutloos kunnen uitvoeren."
Zelfs een jaar later beschouwt Jerry Chow de aankondiging van Google nog steeds als een voetnoot op de reis om kwantumcomputers te maken die onderzoekers en zelfs gewone mensen ...
Kwantumcomputers, zoals dit IBM-model, zien eruit alsof sciencefiction tot leven komt.
(Credit: Graham Carlow voor IBM) De enorme kruising van Janes Avenue en East Boughton Road in Bolingbrook, Illinois, lijkt op veel andere kruispunten in een buitenwijk van Amerika.
Een drive-through Starbucks bewaakt 15 rijstroken met draaiende en samenvoegende middelgrote SUV's, de meeste op weg naar de uitgestrekte parkeerplaatsen van het winkelcentrum Promenade in het zuiden, een paar anderen op weg naar de schiettent en wapenwinkel aan de overkant van de Interstate 355 naar het Oosten.
Weinig mensen in de SUV's realiseren zich dat ze een deel van het bloeiende Amerikaanse onderzoek naar kwantuminformatietechnologie achter de rug hebben.
Onder de snelweg teleporteren verstrengelde fotonen - kwantumdeeltjes die met de snelheid van het licht bewegen - van en naar het Argonne National Laboratory in de volgende stad, via hergebruikte glasvezelkabels die een van de langste kwantumnetwerken op het land vormen.
de natie.
(Foto tegoed: Yuichiro Chino / Getty) Onderzoekers hopen de 52-mijls kwantumtestsite in Bolingbrook en soortgelijke te gebruiken om te bewijzen dat je informatie in een kwantumtoestand van materie (zoals een foton) op één locatie kunt vangen, naar ergens anders kunt sturen en er volledig intact toegang toe hebt op het andere einde.
Ze moeten rekening houden met de uitdagingen van bevroren grond, de straling van de zon en trillingen van al die voertuigen die boven hun hoofd rijden, maar als ze het kunnen bewijzen, hebben ze een manier van communiceren bedacht waardoor 5G vreemd lijkt.
Onderzoekers van andere laboratoria proberen tegelijkertijd algoritmen in te voeren in vergelijkbare elementaire toestanden van materie, bekend als kwantumbits, en laat ze aan het einde van de berekening correct getransformeerd uitkomen.
Als dat lukt, hebben ze een geheel nieuw type computer in handen.
Het is voor natuurkundigen al jaren duidelijk dat de lang gevestigde principes van de kwantummechanica een revolutie teweeg kunnen brengen in computers en internet.
Als kwantumbits kunnen worden getemd, kunnen ze algoritmen uitvoeren in slechts een paar seconden, wat anders jaren zou kosten om te voltooien.
Stabiele fotonen zouden informatie onmiddellijk over de hele wereld kunnen overbrengen op een manier die tijdens het transport waarschijnlijk nooit zou kunnen worden gehackt, aangezien elke storing de informatie zou vernietigen.
Voor de rest van ons lijkt de kwantumrevolutie misschien net te zijn getransformeerd van een slaperige wetenschappelijke theorie in de scherpste bloedende randen.
Het is zelfs mogelijk dat we momenteel een soort kwantumbubbel ervaren - en dat deze op het punt staat te barsten.
In 2017 waren de meeste kwantumtestlussen gewoon sluimerende glasvezelkabels en niemand was in staat geweest om kwantumbits te krijgen om informatie betrouwbaar te verwerken op dezelfde manier als klassieke computers.
Nu zijn er meer dan een dozijn werkende kwantumcomputers over de hele wereld, waarvan een paar elke softwareontwikkelaar toegang heeft via bekende services: bijvoorbeeld een Amazon Web Services-account.
In de afgelopen twee jaar heeft Amerika meer dan $ 1 miljard aan overheidsgeld uitgetrokken voor onderzoek naar quantuminformatie, hebben quantum computing-startups meerdere financieringsrondes afgesloten en IBM kondigde aan dat het plannen maakt om een ??computer te bouwen met meer dan een miljoen kwantumbits, gestegen van een maximum van ongeveer 60 vandaag.
Ondanks de vooruitgang die in een razend tempo komt, erkennen veel van de mensen die in het ontluikende veld van de kwantuminformatiewetenschap werken dat kwantumtoestanden nog niet betrouwbaar of goed genoeg begrepen zijn om traditionele computers en internet te vervangen.
Sommigen denken dat ze dat nooit zullen zijn - dat niemand ooit een telefoon met kwantumbits zal kopen in plaats van een Apple A12 Bionic, en dat kwantumbits en andere elementaire deeltjes voor altijd zullen worden gedegradeerd tot wetenschappelijk onderzoek.
Wat is kwantumcomputers?
Een computer die is opgebouwd uit kwantumbits - kortweg qubits - is in feite een verzameling schakelingen.
Net als bij een klassieke computer die uit bits bestaat, gaan de invoerwaarden door een reeks logische poorten in het circuit, die elk de waarde wijzigen om een ??uitvoer te produceren.
Het belangrijkste verschil tussen kwantumcomputers en klassiek computergebruik is dat bits binair zijn.
Ze zijn omhoog of omlaag, open of gesloten, nul of één.
Qubits, aan de andere kant, kunnen verstrengeld zijn - aanwezig in meerdere staten tegelijk, een zogenaamde superpositie? (Bekijk de video hierboven, van Rigetti Computing, voor meer details.)
Als u een complex algoritme probeert op te lossen, bijvoorbeeld als onderdeel van een softwaretoepassing die op een klassieke computer wordt uitgevoerd, moet u meerdere bits van nullen en enen aan elkaar rijgen.
Maar als je een algoritme uitvoert met qubits, heb je misschien maar één qubit in een superpositie nodig om al die klassieke bits te vervangen.
Rijg meerdere qubits aan elkaar tot een kwantumcircuit en de mogelijkheden zijn verbluffend.
Theoretisch zou je een algoritme kunnen uitvoeren dat zo complex is dat er geen analogie is met klassieke computers zoals wij die kennen.
Het moeilijkste probleem om op te lossen bij het verbeteren van kwantumcomputers en communicatie is de kwetsbaarheid van de kwantumtoestand van materie.
We beginnen reizende kwantumdeeltjes te beschermen tegen de effecten van weer en wegtrillingen, maar alleen in testloops - niet over de duizenden kilometers die nodig zijn om het huidige internet te vervangen.
Evenzo heeft nog niemand bedacht hoe qubits betrouwbaar kunnen werken, zelfs niet in een gecontroleerde laboratoriumomgeving.
IBM Quantum 27-qubit Falcon-chip met kwantumvolume 64 (Photo credit: JIBM) Ze werken goed genoeg in kleine groepen en beperken zich tot specifieke soorten berekeningen, zoals IBM eerder dit jaar aantoonde met behulp van een stabiele 27-qubit-computer genaamd Falcon.
Ze zijn vooral handig voor testdoeleinden: onderzoekers kunnen ze problemen geven met bekende oplossingen en vervolgens hun antwoorden valideren.
Maar tot nu toe zijn qubits te kwetsbaar gebleken om betrouwbaar te functioneren in grotere groepen, wat hun vermogen om af te studeren van bèta en nauwkeurig elke berekening uit te voeren die een klassieke computer zou doen, effectief beperkt.
"Terwijl we het aantal qubits uitbreiden, kun je een veel gevarieerder aantal kwantumcircuits verkennen", zegt Jerry Chow, senior manager van de Experimental Quantum Computing Group bij IBM.
Was het maar zo simpel.
Het "lossy qubit" -probleem, zoals Chow het stelt, betekent dat delen van elke kwantumcomputer die vandaag de dag bestaat, alleen worden gebruikt om fouten in hun berekeningen op te lossen, in plaats van de berekeningen zelf uit te voeren.
Het kwantumvolume van een computer, een numerieke waarde die het maximale potentieel beschrijft om berekeningen uit te voeren, is altijd kleiner dan het aantal qubits dat het bevat.
Evenzo is het aantal fotonen dat hun reis intact begint aan het begin van een reis door een testlus altijd groter dan het aantal dat terugkeert.
Om dit probleem te omzeilen en het volledige potentieel van kwantumcomputers te benutten, werken sommige onderzoekers aan het toevoegen van foutcorrectiecodes, die al in sommige klassieke computers zijn geïmplementeerd.
Anderen onderzoeken alternatieve methoden om kwantumfysica toe te passen op computers zonder poorten en circuits.
Een mogelijkheid is om kwantumdeeltjes te misleiden om achtergrondgeluiden te negeren - bijvoorbeeld trillingen, temperatuurveranderingen en verstrooide elektromagnetische velden - waardoor ze worden afgebroken.
Een team van de University of Chicago maakte in augustus bekend dat ze dit soort bedrog met succes hadden uitgevoerd in een beperkt experiment.
Quantum gloeien is een andere techniek met potentieel.
Het omvat het benutten van fluctuaties in kwantumtoestanden om berekeningen uit te voeren in plaats van ze door poorten in een circuit te sturen.
Sommige in de handel verkrijgbare kwantumcomputers van D-Wave, een klein Canadees bedrijf, gebruiken deze methode.
Maar ze hebben ook last van fouten, en tot dusver zijn ze effectief gebleken in het oplossen van alleen specifieke soorten algoritmen, bijvoorbeeld die gebaseerd op het probleem van de 'handelsreiziger', dat de kortst mogelijke route probeert te vinden tussen een reeks van punten.
Volkswagen gebruikte vorig jaar de aanpak van D-Wave in een experiment om bussen in Lissabon, Portugal, te helpen aan files te ontsnappen.
Het experiment werd een succes verklaard, hoewel het beperkt was tot het meenemen van deelnemers aan een technologieconferentie van de luchthaven naar het congrescentrum.
Jerry Chow, IBM-onderzoeker in de Experimental Quantum Computing-groep, bereidt zich voor op een kwantumexperiment.
(Fotocredit: Jon Simon / Feature Photo Service voor IBM) Het meest beruchte voorbeeld van het lossy qubit-probleem dook op in oktober 2019, toen onderzoekers van Google aankondigden dat ze in 200 seconden een benchmarktest hadden voltooid op een 53-qubit-kwantumcomputer.
De test zou een klassieke supercomputer veel langer hebben gekost - van een paar dagen tot 10.000 jaar, afhankelijk van de specificaties.
Op basis van het experiment, bijgenaamd Sycamore, beweerde Google te hebben bereikt kwantum suprematie, of het bewijs dat een kwantumcomputer sneller met een algoritme kan omgaan dan een klassieke computer, zonder fouten te maken.
Het is een soort heilige graal op het gebied van kwantuminformatiewetenschap, en Google-CEO Sundar Pichai noemde het snel als het 'hallo-wereld'-moment van kwantumcomputers.
Kort daarna betwistten onderzoekers echter of het experiment zo belangrijk was als Google beweerde, waardoor een buzzworthy ruzie ontstond.
Voor Wiliam Oliver, een natuurkundige aan het MIT die qubits bestudeert, is het grotere probleem met kwantumsuprematie niet of het al dan niet bestaat, maar wanneer het kapot gaat.
“De meeste mensen in de wereld denken [Google] heeft het bereikt, 'zei hij over Sycamore.
"Maar als ze nog een paar qubits hadden toegevoegd, hadden ze het niet kunnen doen." Oliver denkt dat de voordelen van kwantumcomputers meer zijn dan alleen de suprematie ten opzichte van klassieke computers.
De echte heilige graal, zegt hij, is dat kwantumcomputers "alles gedurende een bepaalde tijd foutloos kunnen uitvoeren."
Zelfs een jaar later beschouwt Jerry Chow de aankondiging van Google nog steeds als een voetnoot op de reis om kwantumcomputers te maken die onderzoekers en zelfs gewone mensen ...
