Binnen hoe IBM-ingenieurs kwantumcomputers ontwerpen

Binnen hoe IBM-ingenieurs kwantumcomputers ontwerpen

Een paar weken geleden werd ik ongewoon vroeg in de ochtend wakker in Brooklyn en reed de Hudson River af naar de kleine gemeenschap in Westchester County in Yorktown Heights. Tussen glooiende heuvels en oude boerderijen ligt het Thomas J. Watson Research Center, het hoofdkwartier van IBM Research in de Jet Age van de jaren zestig, ontworpen door Eero Saarinen.

Diep in het gebouw, door eindeloze gangen en beveiligingspoorten die worden beschermd door irisscanners, werken de wetenschappers van het bedrijf hard aan de ontwikkeling van een kwantumcomputer die IBM-onderzoeksdirecteur Dario Gil me ‘het volgende kwart van de computer’ noemde.

Ik was in het Watson Center om een ​​voorproefje te geven van IBM’s bijgewerkte technologie-roadmap om praktische kwantumcomputers op grote schaal te realiseren. Er wordt veel gepraat over “aantal qubits”, “kwantumcoherentie”, “foutbeperking”, “software-orkestratie” en andere onderwerpen die nodig zijn om een ​​elektrotechnisch ingenieur te worden met een achtergrond in informatica en enige kennis van kwantum. Mechanica volledig te volgen.

Ik ben niet zo’n persoon, maar ik heb de kwantumcomputerruimte lang genoeg in de gaten gehouden om te weten dat het werk dat IBM-onderzoekers, concurrenten van bedrijven als Google en Microsoft doen, en talloze startups over de hele wereld hier werken. Het zal de volgende sprong in de informatica leiden. Zoals Gil me vertelde, zal computergebruik een “horizontale technologie die van invloed is op alles” een aanzienlijke impact hebben op alles, van cyberbeveiliging tot kunstmatige intelligentie tot een beter batterijontwerp.

Natuurlijk, als ze deze dingen echt konden laten werken.

binnenkomst in het kwantumrijk

De beste manier om kwantumcomputers te begrijpen, behalve om een ​​paar jaar te reserveren voor een graduaat aan MIT of Caltech, is ze te vergelijken met de machine waarop ik dit typ. Aan: Klassieke computer.

Mijn MacBook Air draait op een M1-chip vol met 16 miljard transistors. Elke transistor kan een “1” of “0” bitinformatie tegelijk vertegenwoordigen. Een groot aantal transistors levert rekenkracht aan machines.

16 miljard transistors verpakt in een chip van 120,5 vierkante millimeter is veel. De eerste getransistoriseerde computers, TRADIC’s, hadden er minder dan 800. Het vermogen van de halfgeleiderindustrie om veel meer transistors op een chip te bouwen, volgens een trend die werd voorspeld door de medeoprichter van Intel, Gordon Moore.

Buitenaanzicht van de IBM System One-kwantumcomputer van het Thomas J. Watson Research Center.
Brian Walsh/Vox

Maar hoeveel transistors er ook in het vierkante silicium van een Taiwanese halfgeleiderfabriek (of ‘fab’ in industriële terminologie) zijn verpakt, het kan dingen doen die een klassieke computer nooit zou kunnen. En dit is waar de unieke en eerlijk gezegd vreemde eigenschappen van kwantumcomputers in het spel komen.

In plaats van bits verwerken kwantumcomputers informatie met behulp van qubits die tegelijkertijd “0” en “1” kunnen vertegenwoordigen. Hoe doe ik dit? Je stelt hier mijn expertiseniveau onder druk, maar in wezen gebruiken qubits een kwantummechanisch fenomeen dat bekend staat als ‘superpositie’. Door dit fenomeen worden de eigenschappen van sommige subatomaire deeltjes niet gedefinieerd totdat ze zijn gemeten. Denk aan de kat van Schrödinger, zowel dood als levend totdat je de doos opent.

Enkele qubits zijn schattig, maar het wordt pas echt interessant als je meer begint toe te voegen. Klassieke computerprestaties nemen lineair toe met elke toegevoegde transistor, terwijl de prestaties van kwantumcomputers exponentieel toenemen. Elke nieuwe stabiele qubit wordt toegevoegd. Dit komt door een andere kwantummechanische eigenschap genaamd “verstrengeling”, waarbij de individuele waarschijnlijkheid van elke qubit kan worden beïnvloed door andere qubits in het systeem.

Dit alles betekent dat de bovengrens van de prestaties van een levensvatbare kwantumcomputer veel verder gaat dan wat mogelijk is met conventionele computers.

Zo kunnen kwantumcomputers theoretisch problemen oplossen die klassieke computers, hoe krachtig ook, nooit zouden kunnen oplossen. wat voor soort probleem? Hoe zit het tenslotte met de fundamentele aard van de materiële realiteit die uiteindelijk afhangt van de kwantummechanica in plaats van de klassieke mechanica? (Newton, sorry.) “Kwantumcomputers simuleren problemen in de natuur en de scheikunde”, zegt Jay Gambetta, vice-president kwantumcomputing bij IBM.

Door de eigenschappen van theoretische batterijen te simuleren, kunnen kwantumcomputers batterijen ontwerpen die veel efficiënter en krachtiger zijn dan de huidige versies. Los complexe logistieke problemen op, vind optimale scheepvaartroutes of verbeter voorspellingen voor klimaatwetenschap.

Op het gebied van beveiliging kunnen kwantumcomputers cryptografische methoden doorbreken en mogelijk alles destabiliseren, van e-mails tot financiële gegevens tot staatsgeheimen. Dit is gedeeltelijk de reden waarom de race om kwantumsuprematie een internationale race is, en het is er een waar de Chinese regering miljarden dollars in stopt. Deze zorgen hielpen het Witte Huis eerder deze maand om een ​​nieuw memorandum uit te brengen om nationaal leiderschap op het gebied van kwantumcomputing op te bouwen en zich voor te bereiden op kwantumondersteunde cyberbeveiligingsbedreigingen.

Naast veiligheidsproblemen kunnen de potentiële financiële voordelen aanzienlijk zijn. Bedrijven bieden al vroege quantum computing-diensten via de cloud aan voor klanten als Exxon Mobil en de Spaanse bank BBVA. De wereldwijde markt voor kwantumcomputing werd in 2020 gewaardeerd op minder dan $ 500 miljoen, maar International Data Corporation verwacht tegen 2027 een omzet van $ 8,6 miljard te bereiken met een investering van meer dan $ 16 miljard.

Maar dat zal allemaal niet mogelijk zijn tenzij onderzoekers het zware technische werk kunnen doen om kwantumcomputers om te vormen tot een industrie die nog niet vertrouwd is in de meeste wetenschappelijke experimenten.

koude kamer

Jerry Chow, die leiding geeft aan IBM’s Center for Experimental Quantum Computers, opende een glazen kubus van 3 meter hoog om IBM’s Quantum System One te onthullen, dat eruitziet als een gouden kroonluchter in het Watson-gebouw. De meeste kroonluchters zijn in wezen hightech koelkasten met spoelen die een superfluïde dragen die de hardware kan koelen tot 100 graden Celsius boven het absolute nulpunt.

Koeling is de sleutel om de kwantumcomputers van IBM te laten werken, en het laat ook zien waarom dit een technische uitdaging is. Quantumcomputers zijn potentieel veel krachtiger dan conventionele computers, maar veel veeleisender.

Weet je nog wat ik zei over de kwantumeigenschappen van superpositie en verstrengeling? Qubits kunnen dingen doen die je je niet eens kunt voorstellen, maar minieme veranderingen in temperatuur, geluid of straling kunnen ervoor zorgen dat ze deze eigenschappen verliezen door iets dat decoherentie wordt genoemd.

Dit koele koelapparaat is ontworpen om te voorkomen dat de qubits van het systeem decoheren voordat de computer zijn berekeningen heeft voltooid. De vroegste supergeleidende qubits verloren hun coherentie tot sub-nanoseconden, maar tegenwoordig kunnen de meest geavanceerde kwantumcomputers van IBM tot 400 microseconden coherent blijven. (Een seconde bevat een miljoen microseconden.)

Chow zei dat de uitdaging voor IBM en anderen is om foutgevoelige kwantumcomputers te ontwikkelen, terwijl “systemen van duizenden of tienduizenden qubits worden geschaald naar miljoenen qubits”, zei Chow.

Het kan meerdere jaren zijn. IBM introduceerde vorig jaar Eagle, een 127-qubit-processor, en in zijn roadmap voor nieuwe technologie streeft het ernaar om later dit jaar een 433-qubit-processor genaamd Osprey te onthullen en tegen 2025 meer dan 4000 qubit-computers. . IBM-CEO Arvind Krishna zei eerder deze maand op een persconferentie dat quantum computing verder kan gaan dan de experimentele fase.

Veel experts zijn sceptisch dat IBM of zijn rivalen er ooit zullen komen, waardoor de kans groter wordt dat de technische problemen van kwantumcomputers te moeilijk zullen zijn voor systemen om echt betrouwbaar te zijn. “In het afgelopen decennium zijn er enorme argumenten geweest voor meer directe taken die kwantumcomputers kunnen doen, zoals het oplossen van al deze machine learning-problemen”, zegt Scott Aaronson, een kwantumcomputerexpert aan de Universiteit van de Universiteit. Texel zei vorig jaar. “Maar deze beweringen zijn ongeveer 90% bullshit.” Om die belofte waar te maken, is “innovatieve ontwikkeling vereist.”

In een steeds digitaler wordende wereld hangt verdere vooruitgang af van ons vermogen om meer uit de computers die we bouwen te halen. En dat hangt af van het werk van onderzoekers zoals Chow en zijn collega’s, die in een raamloos laboratorium werken om innovatieve nieuwe ontwikkelingen te bereiken voor enkele van de moeilijkste problemen in de informatica, en daarbij aan de toekomst bouwen.

Een versie van dit verhaal werd in eerste instantie gepubliceerd in de Future Perfect nieuwsbrief. Schrijf je hier in om je te abonneren!

Leave a Comment

Your email address will not be published.