Kvantecomputere, som denne IBM-model, ser ud som science fiction kommer til liv.
(Kredit: Graham Carlow for IBM) Det massive kryds mellem Janes Avenue og East Boughton Road i Bolingbrook, Illinois, ligner mange andre vejkryds i forstæderne i Amerika.
En gennemkørsel Starbucks holder øje med 15 baner med drejning og sammensmeltning af mellemstore SUV'er, de fleste er på vej mod de sprudlende parkeringspladser i Promenade-indkøbscentret mod syd, et par andre på vej til skydegalleriet og pistolbutikken over Interstate 355 mod øst.
Få af menneskerne i SUV'erne er klar over, at de kører over en del af Amerikas blomstrende forskning inden for kvanteinformationsteknologi.
Under mellemstaden teleporteres sammenfiltrede fotoner - kvantepartikler, der bevæger sig med lysets hastighed - til og fra Argonne National Laboratory i den næste by over gennem genoprettede fiberoptiske kabler, der udgør et af de længste landbaserede kvantenet i nationen.
(Fotokredit: Yuichiro Chino / Getty) Forskere håber at bruge kvanteteststedet på 52 kilometer i Bolingbrook og andre lignende for at bevise, at du kan fange information inde i en kvantetilstand (som en foton) på et sted, sende det et andet sted og få adgang til det helt intakt på den anden ende.
De er nødt til at tage højde for udfordringerne ved frossen jord, solens stråling og vibrationer fra alle de køretøjer, der kører over hovedet, men hvis de kan bevise det, vil de have opfundet en måde at kommunikere på, der får 5G til at virke malerisk.
Forskere ved andre laboratorier forsøger samtidig at føde algoritmer til lignende elementære tilstande af stof, kendt som kvantebit, og få dem til at komme ud transformeret korrekt i slutningen af ??beregningen.
Hvis det lykkes, har de en helt ny type computer på deres hænder.
Det har været klart for fysikere i årevis, at de længe etablerede principper for kvantemekanik kan revolutionere databehandling og internettet.
Hvis kvantebits kan tæmmes, kan de køre algoritmer på få sekunder, som ellers ville tage år at gennemføre.
Stabile fotoner kunne overføre information over hele verden med det samme på en måde, som sandsynligvis aldrig kunne blive hacket under transport, da enhver forstyrrelse ville ødelægge informationen.
For resten af ??os kan kvante-revolutionen virke som om den netop er transformeret fra en søvnig videnskabelig teori til de skarpeste blødende kanter.
Det er endda muligt, at vi i øjeblikket oplever noget af en kvanteboble - og at det måske er ved at briste.
I 2017 var de fleste af kvantetestløkkerne bare sovende fiberoptiske kabler, og ingen havde været i stand til at få kvantebits til pålideligt at behandle information på samme måde som klassiske computere kan.
Nu er der mere end et dusin fungerende kvantecomputere rundt om i verden, hvoraf nogle få softwareudviklere kan få adgang via velkendte tjenester: sig en Amazon Web Services-konto.
I løbet af de sidste to år har Amerika forpligtet sig over 1 mia.
$ I statslige midler til kvanteinformation, kvantecomputerstartups har lukket flere venturefinansieringsrunder, og IBM meddelte, at de går videre med planer om at bygge en computer med mere end en million kvantebit, op fra maksimalt omkring 60 i dag.
På trods af fremskridt, der kommer i et voldsomt tempo, anerkender mange af de mennesker, der arbejder inden for kvanteinformationens videnskabelige felt, at kvantetilstande endnu ikke er pålidelige eller forstået godt nok til at erstatte traditionel databehandling og internettet.
Nogle tror, ??de aldrig vil være - at ingen nogensinde vil købe en telefon med kvantebiter i stedet for en Apple A12 Bionic, og at kvantebits og andre elementære partikler for altid vil blive henvist til videnskabelig forskning.
Hvad er kvanteberegning?
En computer, der består af kvantebiter - kort sagt - er en samling kredsløb.
Som i en klassisk computer, der består af bits, fortsætter inputværdierne gennem en række logiske porte i kredsløbet, som hver ændrer værdien for at producere et output.
Den vigtigste forskel mellem quantum computing og klassisk computing er, at bits er binære.
De er enten op eller ned, åbne eller lukkede, nul eller en.
Qubits kan derimod vikles sammen - til stede i flere tilstande på én gang, en såkaldt superposition.
(Se videoen ovenfor fra Rigetti Computing for flere detaljer.)
Hvis du forsøger at løse en kompleks algoritme, f.eks.
Som en del af et softwareprogram til at køre på en klassisk computer, skal du stramme flere bit nuller og ener sammen.
Men hvis du kører en algoritme ved hjælp af qubits, har du muligvis kun brug for en enkelt qubit i en superposition for at erstatte alle disse klassiske bits.
String flere qubits sammen til et kvantekredsløb, og mulighederne er svimlende.
Teoretisk kunne du køre en så kompleks algoritme, at der ikke er nogen analog til klassisk computing, som vi kender den.
Det sværeste problem at løse i forbedring af kvanteberegning og kommunikation er skrøbeligheden af ??materiets kvante tilstand.
Vi begynder at være i stand til at beskytte bevægelige kvantepartikler mod virkningerne af vejr og vibrationer på vejen, men kun i testsløjfer - ikke over de tusinder af miles, der kræves for at erstatte det nuværende internet.
På samme måde har ingen endnu fundet ud af, hvordan man får qubits til at fungere pålideligt, selv i en kontrolleret laboratorieindstilling.
IBM Quantum 27-qubit Falcon-chip med kvantevolumen 64 (Fotokredit: JIBM) De fungerer godt nok i små grupper og begrænset til bestemte typer beregninger, som IBM demonstrerede ved hjælp af en stabil 27-qubit computer kaldet Falcon tidligere på året.
De er mest nyttige til testformål: Forskere kan give dem problemer med kendte løsninger og derefter validere deres svar.
Men hidtil har qubits vist sig for skrøbelige til at fungere pålideligt i større grupper, hvilket effektivt begrænser deres evne til at opgradere fra beta og nøjagtigt udføre enhver beregning, som en klassisk computer ville.
"Når vi skubber på antallet af qubits, er du i stand til at udforske et meget mere varieret sæt kvantekredsløb," siger Jerry Chow, seniorchef for Experimental Quantum Computing Group hos IBM.
Hvis det bare var så simpelt.
Problemet med "lossy qubit", som Chow udtrykker det, betyder, at dele af hver kvantecomputer, der findes i dag, er dedikeret til at løse fejl i deres beregninger i stedet for at udføre beregningerne selv.
En computers kvantevolumen, en numerisk værdi, der beskriver dets maksimale potentiale til at udføre beregninger, er altid mindre end antallet af qubits, den indeholder.
Ligeledes er antallet af fotoner, der begynder deres rejse intakt i begyndelsen af ??en rejse gennem en testsløjfe, altid større end antallet, der vender tilbage.
For at omgå dette problem og frigøre det fulde potentiale ved kvantecomputering arbejder nogle forskere på at tilføje fejlkorrektionskoder, som allerede er implementeret i nogle klassiske computere.
Andre udforsker alternative metoder til anvendelse af kvantefysik til computing, der ikke involverer porte og kredsløb.
En mulighed er at narre kvantepartikler til at ignorere baggrundsstøj - for eksempel vibrationer, temperaturændringer og omstrejfende elektromagnetiske felter - der får dem til at bryde sammen.
Et team fra University of Chicago meddelte i august, at de med succes havde udført denne form for trickery i et begrænset eksperiment.
Kvanteudglødning er en anden teknik med potentiale.
Det involverer at udnytte udsving i kvantetilstande til at udføre beregninger i stedet for at sende dem gennem porte i et kredsløb.
Nogle kommercielt tilgængelige kvantecomputere fra D-Wave, et lille canadisk firma, bruger denne metode.
Men de lider også af fejl, og indtil videre har de vist sig at være effektive til kun at løse specifikke typer algoritmer - som et eksempel, dem, der er baseret på problemet med "rejsende sælger", der søger at finde den kortest mulige rute mellem et sæt point.
Volkswagen brugte D-Waves tilgang i et eksperiment sidste år for at hjælpe busser i Lissabon, Portugal med at undslippe trafikpropper.
Eksperimentet blev erklæret en succes, selvom det var begrænset til at tage deltagere til en teknologikonference fra lufthavnen til kongrescentret.
Jerry Chow, IBM-forsker i gruppen Experimental Quantum Computing, forbereder sig på et kvanteeksperiment.
(Fotokredit: Jon Simon / Feature Photo Service til IBM) Det mest berygtede eksempel på det tabsrige qubit-problem dukkede op i oktober 2019, da forskere hos Google meddelte, at de havde afsluttet en benchmark-test på en 53-qubit kvantecomputer på 200 sekunder.
Testen ville have taget en klassisk supercomputer langt længere - alt fra få dage til 10.000 år, afhængigt af dens specifikationer.
På baggrund af eksperimentet, med tilnavnet Sycamore, hævdede Google at have opnået kvante overherredømme, eller bevis for, at en kvantecomputer kan håndtere en algoritme hurtigere end en klassisk computer kan uden at begå nogen fejl.
Det er noget af en hellig gral inden for kvanteinformationsvidenskab, og Googles administrerende direktør Sundar Pichai var hurtig til at hylde det som kvantecomputerings "hej verden" øjeblik.
Kort efter bestred forskere imidlertid, om eksperimentet var så vigtigt som Google hævdede, idet de udløste en buzzworthy skænderi.
For Wiliam Oliver, en fysiker ved MIT, der studerer qubits, er det større problem med kvanteoverherredømme ikke, om det eksisterer eller ikke, men når det bryder sammen.
”De fleste mennesker i verden tænker [Google] opnået det, ”sagde han om Sycamore.
"Men havde de tilføjet et par flere qubits, så ville de ikke have været i stand til det." Oliver mener, at fordelene ved quantum computing er mere end blot overherredømme i forhold til klassiske computere.
Den virkelige hellige gral, siger han, er, at kvanteberegning "skal kunne køre noget i enhver tid uden fejl."
Selv et år senere tænker Jerry Chow stadig på Google-meddelelsen som en fodnote på rejsen til at skabe kvantecomputere, som forskere og endda almindelige mennesker ...
Kvantecomputere, som denne IBM-model, ser ud som science fiction kommer til liv.
(Kredit: Graham Carlow for IBM) Det massive kryds mellem Janes Avenue og East Boughton Road i Bolingbrook, Illinois, ligner mange andre vejkryds i forstæderne i Amerika.
En gennemkørsel Starbucks holder øje med 15 baner med drejning og sammensmeltning af mellemstore SUV'er, de fleste er på vej mod de sprudlende parkeringspladser i Promenade-indkøbscentret mod syd, et par andre på vej til skydegalleriet og pistolbutikken over Interstate 355 mod øst.
Få af menneskerne i SUV'erne er klar over, at de kører over en del af Amerikas blomstrende forskning inden for kvanteinformationsteknologi.
Under mellemstaden teleporteres sammenfiltrede fotoner - kvantepartikler, der bevæger sig med lysets hastighed - til og fra Argonne National Laboratory i den næste by over gennem genoprettede fiberoptiske kabler, der udgør et af de længste landbaserede kvantenet i nationen.
(Fotokredit: Yuichiro Chino / Getty) Forskere håber at bruge kvanteteststedet på 52 kilometer i Bolingbrook og andre lignende for at bevise, at du kan fange information inde i en kvantetilstand (som en foton) på et sted, sende det et andet sted og få adgang til det helt intakt på den anden ende.
De er nødt til at tage højde for udfordringerne ved frossen jord, solens stråling og vibrationer fra alle de køretøjer, der kører over hovedet, men hvis de kan bevise det, vil de have opfundet en måde at kommunikere på, der får 5G til at virke malerisk.
Forskere ved andre laboratorier forsøger samtidig at føde algoritmer til lignende elementære tilstande af stof, kendt som kvantebit, og få dem til at komme ud transformeret korrekt i slutningen af ??beregningen.
Hvis det lykkes, har de en helt ny type computer på deres hænder.
Det har været klart for fysikere i årevis, at de længe etablerede principper for kvantemekanik kan revolutionere databehandling og internettet.
Hvis kvantebits kan tæmmes, kan de køre algoritmer på få sekunder, som ellers ville tage år at gennemføre.
Stabile fotoner kunne overføre information over hele verden med det samme på en måde, som sandsynligvis aldrig kunne blive hacket under transport, da enhver forstyrrelse ville ødelægge informationen.
For resten af ??os kan kvante-revolutionen virke som om den netop er transformeret fra en søvnig videnskabelig teori til de skarpeste blødende kanter.
Det er endda muligt, at vi i øjeblikket oplever noget af en kvanteboble - og at det måske er ved at briste.
I 2017 var de fleste af kvantetestløkkerne bare sovende fiberoptiske kabler, og ingen havde været i stand til at få kvantebits til pålideligt at behandle information på samme måde som klassiske computere kan.
Nu er der mere end et dusin fungerende kvantecomputere rundt om i verden, hvoraf nogle få softwareudviklere kan få adgang via velkendte tjenester: sig en Amazon Web Services-konto.
I løbet af de sidste to år har Amerika forpligtet sig over 1 mia.
$ I statslige midler til kvanteinformation, kvantecomputerstartups har lukket flere venturefinansieringsrunder, og IBM meddelte, at de går videre med planer om at bygge en computer med mere end en million kvantebit, op fra maksimalt omkring 60 i dag.
På trods af fremskridt, der kommer i et voldsomt tempo, anerkender mange af de mennesker, der arbejder inden for kvanteinformationens videnskabelige felt, at kvantetilstande endnu ikke er pålidelige eller forstået godt nok til at erstatte traditionel databehandling og internettet.
Nogle tror, ??de aldrig vil være - at ingen nogensinde vil købe en telefon med kvantebiter i stedet for en Apple A12 Bionic, og at kvantebits og andre elementære partikler for altid vil blive henvist til videnskabelig forskning.
Hvad er kvanteberegning?
En computer, der består af kvantebiter - kort sagt - er en samling kredsløb.
Som i en klassisk computer, der består af bits, fortsætter inputværdierne gennem en række logiske porte i kredsløbet, som hver ændrer værdien for at producere et output.
Den vigtigste forskel mellem quantum computing og klassisk computing er, at bits er binære.
De er enten op eller ned, åbne eller lukkede, nul eller en.
Qubits kan derimod vikles sammen - til stede i flere tilstande på én gang, en såkaldt superposition.
(Se videoen ovenfor fra Rigetti Computing for flere detaljer.)
Hvis du forsøger at løse en kompleks algoritme, f.eks.
Som en del af et softwareprogram til at køre på en klassisk computer, skal du stramme flere bit nuller og ener sammen.
Men hvis du kører en algoritme ved hjælp af qubits, har du muligvis kun brug for en enkelt qubit i en superposition for at erstatte alle disse klassiske bits.
String flere qubits sammen til et kvantekredsløb, og mulighederne er svimlende.
Teoretisk kunne du køre en så kompleks algoritme, at der ikke er nogen analog til klassisk computing, som vi kender den.
Det sværeste problem at løse i forbedring af kvanteberegning og kommunikation er skrøbeligheden af ??materiets kvante tilstand.
Vi begynder at være i stand til at beskytte bevægelige kvantepartikler mod virkningerne af vejr og vibrationer på vejen, men kun i testsløjfer - ikke over de tusinder af miles, der kræves for at erstatte det nuværende internet.
På samme måde har ingen endnu fundet ud af, hvordan man får qubits til at fungere pålideligt, selv i en kontrolleret laboratorieindstilling.
IBM Quantum 27-qubit Falcon-chip med kvantevolumen 64 (Fotokredit: JIBM) De fungerer godt nok i små grupper og begrænset til bestemte typer beregninger, som IBM demonstrerede ved hjælp af en stabil 27-qubit computer kaldet Falcon tidligere på året.
De er mest nyttige til testformål: Forskere kan give dem problemer med kendte løsninger og derefter validere deres svar.
Men hidtil har qubits vist sig for skrøbelige til at fungere pålideligt i større grupper, hvilket effektivt begrænser deres evne til at opgradere fra beta og nøjagtigt udføre enhver beregning, som en klassisk computer ville.
"Når vi skubber på antallet af qubits, er du i stand til at udforske et meget mere varieret sæt kvantekredsløb," siger Jerry Chow, seniorchef for Experimental Quantum Computing Group hos IBM.
Hvis det bare var så simpelt.
Problemet med "lossy qubit", som Chow udtrykker det, betyder, at dele af hver kvantecomputer, der findes i dag, er dedikeret til at løse fejl i deres beregninger i stedet for at udføre beregningerne selv.
En computers kvantevolumen, en numerisk værdi, der beskriver dets maksimale potentiale til at udføre beregninger, er altid mindre end antallet af qubits, den indeholder.
Ligeledes er antallet af fotoner, der begynder deres rejse intakt i begyndelsen af ??en rejse gennem en testsløjfe, altid større end antallet, der vender tilbage.
For at omgå dette problem og frigøre det fulde potentiale ved kvantecomputering arbejder nogle forskere på at tilføje fejlkorrektionskoder, som allerede er implementeret i nogle klassiske computere.
Andre udforsker alternative metoder til anvendelse af kvantefysik til computing, der ikke involverer porte og kredsløb.
En mulighed er at narre kvantepartikler til at ignorere baggrundsstøj - for eksempel vibrationer, temperaturændringer og omstrejfende elektromagnetiske felter - der får dem til at bryde sammen.
Et team fra University of Chicago meddelte i august, at de med succes havde udført denne form for trickery i et begrænset eksperiment.
Kvanteudglødning er en anden teknik med potentiale.
Det involverer at udnytte udsving i kvantetilstande til at udføre beregninger i stedet for at sende dem gennem porte i et kredsløb.
Nogle kommercielt tilgængelige kvantecomputere fra D-Wave, et lille canadisk firma, bruger denne metode.
Men de lider også af fejl, og indtil videre har de vist sig at være effektive til kun at løse specifikke typer algoritmer - som et eksempel, dem, der er baseret på problemet med "rejsende sælger", der søger at finde den kortest mulige rute mellem et sæt point.
Volkswagen brugte D-Waves tilgang i et eksperiment sidste år for at hjælpe busser i Lissabon, Portugal med at undslippe trafikpropper.
Eksperimentet blev erklæret en succes, selvom det var begrænset til at tage deltagere til en teknologikonference fra lufthavnen til kongrescentret.
Jerry Chow, IBM-forsker i gruppen Experimental Quantum Computing, forbereder sig på et kvanteeksperiment.
(Fotokredit: Jon Simon / Feature Photo Service til IBM) Det mest berygtede eksempel på det tabsrige qubit-problem dukkede op i oktober 2019, da forskere hos Google meddelte, at de havde afsluttet en benchmark-test på en 53-qubit kvantecomputer på 200 sekunder.
Testen ville have taget en klassisk supercomputer langt længere - alt fra få dage til 10.000 år, afhængigt af dens specifikationer.
På baggrund af eksperimentet, med tilnavnet Sycamore, hævdede Google at have opnået kvante overherredømme, eller bevis for, at en kvantecomputer kan håndtere en algoritme hurtigere end en klassisk computer kan uden at begå nogen fejl.
Det er noget af en hellig gral inden for kvanteinformationsvidenskab, og Googles administrerende direktør Sundar Pichai var hurtig til at hylde det som kvantecomputerings "hej verden" øjeblik.
Kort efter bestred forskere imidlertid, om eksperimentet var så vigtigt som Google hævdede, idet de udløste en buzzworthy skænderi.
For Wiliam Oliver, en fysiker ved MIT, der studerer qubits, er det større problem med kvanteoverherredømme ikke, om det eksisterer eller ikke, men når det bryder sammen.
”De fleste mennesker i verden tænker [Google] opnået det, ”sagde han om Sycamore.
"Men havde de tilføjet et par flere qubits, så ville de ikke have været i stand til det." Oliver mener, at fordelene ved quantum computing er mere end blot overherredømme i forhold til klassiske computere.
Den virkelige hellige gral, siger han, er, at kvanteberegning "skal kunne køre noget i enhver tid uden fejl."
Selv et år senere tænker Jerry Chow stadig på Google-meddelelsen som en fodnote på rejsen til at skabe kvantecomputere, som forskere og endda almindelige mennesker ...
