Kvantecomputere er endelig ankommet, men vil de nogensinde være nyttige?

Hundredvis af kvantecomputerfirmaer over hele verden kæmper for at kommercialisere disse engang eksotiske enheder, men juryen er stadig ude på, hvem der vil trække sig foran og producere en maskine, der faktisk gør noget nyttigt

Der har aldrig været et bedre tidspunkt at være i kvanteberegningsvirksomheden. ”For ca. 10 år siden var det ikke indlysende, at kvanteberegning var mere end et interessant laboratorieeksperiment. Siden da er der opstået et helt globaliseret økosystem, ”siger Laurent Prost på den franske kvantecomputerstart Alice & Bob, en af ​​hundreder af virksomheder i sektoren. Krysta Svore hos Microsoft sætter det endnu mere kortfattet: “Kvantekompetence fungerer.”

Men arbejder på hvad? Praktiske anvendelser til kvantecomputere forbliver begrænsede uden tegn på den længe lovede evne til at løse problemer, som ikke kan håndteres af traditionelle computere. For at levere dette løfte er de nødt til at blive store nok til at køre komplicerede beregninger, og de skal gøre færre fejl for at sikre, at disse beregninger er meningsfulde. De to spørgsmål sammensætter også: Tilføjelse af flere qubits, som er byggestenene på enhver kvantecomputer, til en enhed introducerer typisk flere fejl.

For at omgå dette er forskere begyndt at gruppere fysiske qubits i “logiske qubits”, der kan fange og løse fejl, når de sker. ”Du skal være i stand til at opdage fejl, rette fejl og gøre alt det under beregning,” siger Svore. Den grundlæggende vej mod virkelig nyttige kvantecomputere er derfor at opbygge en enhed med så mange logiske qubits som muligt. Men i virkeligheden, snarere end at der er en enkelt rute, tager konkurrenter over hele verden meget forskellige tilgange i håb om at tage den store præmie.

Ved en foranstaltning ligger Californien-baserede opstart-atomberegning foran pakken. Den har rekorden for den største kvantecomputer endnu, med 1180 qubits lavet af ekstremt kolde ytterbiumatomer, også kendt som ”neutrale atomer”, fordi de ikke har nogen elektrisk ladning. En anden opstart, Pasqal, har for nylig rapporteret om at samle 1110 atomer i sine kvanteberegningsprocessorer, uden at bruge dem til beregninger, mens et forskerteam ved University of Science and Technology of China i Hefei har vist, at kunstig intelligens kunne bruges til at foretage En sådan samling hurtigere og lettere.

”Der har været fantastiske fremskridt. Vi kom over pukkelen til ‘Kan du overhovedet bygge et system?’ Til ‘Kan du bygge det bedre?’, Siger Ben Bloom ved Atom Computing. ”Jeg tror, ​​at neutrale atomer er i spidsen.”

Men rene tal er muligvis ikke nok. ”Opbygning af nyttige kvantecomputere involverer arbejde ud over at opbygge bedre qubits,” siger Nicholas Harrigan hos Nvidia, som ikke bygger sin egen kvanteberegningshardware, men samarbejder med flere virksomheder for at udvikle de bedste måder at bruge dem på. Andre stalwarts i den traditionelle computerindustri har haft den samme idé: Sidste år arbejdede Microsoft med Atom Computing for at skabe 24 logiske qubits, der er knyttet gennem kvanteforvikling, et nødvendigt første skridt på stien til nyttige enheder.

Det var ikke nok til at slå Boston-baserede neutrale atomstart Quera, som har vist mere end 40 logiske qubits. Men Quera kan heller ikke kræve den logiske qubit-krone-der hører til en opstart kaldet Quantinuum, som nu har skabt og sammenfiltret 50 logiske qubits, der tager føringen. Senere på året lancerer firmaet en kvantecomputer, der vil være i stand til at kode en billion gange mere information end dens allerede rekordstore maskine, siger Quantinuums Rajeeb Hazra.

Fleksibilitet er konge

Quantinuum tager en anden tilgang til sine qubits ved hjælp af ladede ytterbiumioner, der holdes på plads af elektromagnetiske felter, snarere end neutrale atomer. Disse “fangede ion” qubits forfølges også af virksomheder som Oxford Ionics og Maryland-baserede Ionq. En fordel begge typer hardware -andel er let at skifte forbindelserne mellem qubits, siger John Gamble på Ionq, hvilket gør dem mere tilgængelige for trofast at udføre mange forskellige algoritmer, herunder forskellige måder at forbinde fysiske qubits til logiske qubits til fejlkorrektion. ”Fleksibilitet og alsidighed er konge lige nu,” siger han.

Denne fleksibilitet er en del af grunden til, at fanget ion- og neutrale atomstøttere håber på at til sidst overgå teknologigiganter som Google og IBM. Især google, der er stor i kvantecomputerindustrien, efter at 2024 med en ny chip kaldet Willow, som den sagde, kunne udføre en specifik beregningsopgave på 5 minutter, der ville tage verdens førende konventionelle supercomputer omkring 10 septillion år.

Både Google og IBM fremstiller deres qubits fra små superledende kredsløb, der har deres egne fordele, idet de kan udføre beregninger hurtigere end deres atomiske og ioniske kolleger og er til tider mere pålidelige relativt. Med neutrale atomer risikerer nogle af qubits altid risikoen for at skifte ud af deres præcist kalibrerede, laserstyrede kvantetilstander.

Men disse fordele er muligvis ikke nok til virkelig at trække sig foran konkurrencen. De superledende qubits er kablet på plads og forbinder kun let til deres nærmeste naboer. Dette gør det meget vanskeligere at implementere flere af de fejlkorrektionsalgoritmer, der er blevet udviklet for nylig og eksperimentere med disse koder yderligere.

”Udviklingen med nye fejlkorrektionskoder skete meget hurtigt, og jeg ville blive overrasket, hvis dette var slutningen,” siger Gamble. Bloom siger, at han plejede at arbejde med andre typer kvantecomputere, men skiftede fokus til neutrale atom quubits, fordi de så ud til at tilbyde flere løsninger på feltets grundlæggende udfordringer. Når branchens favorit er, kan den superledende tilgang nu være i fare for at løbe tør for vejen.

Det er ikke at sige, at Googles bestræbelser har været forgæves. Virksomheden har vist, at tilføjelse af flere fysiske qubits til Willows logiske qubits øger deres fejlkorrektionsevner, et vigtigt skridt i at fremstille store computere.

Skalering op

I mellemtiden har IBMs Condor Quantum-processor kun 59 QUBITS færre end Atom Computing’s rekordstore maskine, og firmaet er på vej til at overtræde 4000 qubits i 2026. Til det formål udvikler IBM kvantecomponenter, der vil gøre det muligt for det at forbinde eksisterende enheder til større og mere kraftfulde maskiner. Virksomheden mener, at dette også vil give dem mulighed for at implementere flere fejlkorrektionskoder end direkte konkurrenter som Google.

David Rivas på Rigetti Computing, som også er specialiseret i superledende qubits, siger, at efter hans opfattelse er superledende kvantecomputere ikke ramt en blindgyde endnu. Der er værdi i denne type kvantecomputer “som vi taler”, siger han. Rigetti Computing sælger en klar-til-skib-kvantecomputer med 9 qubits sammen med adgang til en større 84-qubit kvanteprocessor, og Rivas siger, at firmaet har solgt kvantecomputere til både statslige laboratorier og kommercielle virksomheder, mest for yderligere udforskning af teknologi.

Alice & Bob fremstiller også sine qubits fra superledende komponenter, men dens grundlæggende design adskiller sig fra andre ved at prioritere undertrykkelsen af ​​fejl, selv før de skaber logiske qubits. På grund af dette mener Alice & Bob-forskere, at de kunne nå fuldt fejlfri kvanteberegning med tusinder af qubits, hvor deres konkurrenter muligvis er nødt til at bygge millioner. De har ikke demonstreret nogen logiske qubits endnu, men sigter mod at have en virkelig nyttig kvantecomputer inden 2030.

Tilsvarende fem-årige tidslinjer væver store for mange konkurrenter i løbet mod at opbygge en nyttig kvantecomputer, men Californien-baserede kvanteopstart Psiquantum har den mest ambitiøse plan blandt dem. Virksomheden har forladt demonstrationer og eksperimenter med flere qubit-enheder og sigter mod at præsentere en storstilet supercomputer-lignende kvantecomputer i 2027. Dens qubits vil være lavet af enkeltpartikler af lys eller fotoner, og teamet har fokuseret på Integrering af traditionelt komplekse komponenter, såsom lasere og linser, der kontrollerer disse partikler, på halvlederchips, der let kunne fremstilles i den industrielle skala.

”Vi er i færd med at sætte meget udfordrende tidslinjer for os selv, og vi har rationelle, evidensbaserede grunde til at tro, at det er muligt,” siger Pete Shadbolt at Psiquantum.

Andre kvanteberegningsvirksomheder, der er specialiserede i at bruge fotoner, har taget en mere traditionel sti. I 2021 demonstrerede Xanadu en fotonisk kvanteberegningschip, der kunne udføre flere algoritmer, mens en anden fotonisk kvanteberegning opstart, Quandela, allerede sælger en 12-qubit-maskine med et modulært design, der sætter det op til lettere opgraderinger i fremtiden.

Med så mange qubit -platforme at vælge imellem, hvem trækker sandsynligvis videre? John Preskill ved California Institute of Technology, en langvarig overvågning af branchen, satser foreløbigt på atomer. Udsigterne til at fremstille mange af dem og være i stand til at forbinde dem på lige den rigtige måde til din kvantealgoritme gør dem til den mest lovende, siger han. ”Jeg tror, ​​hvad en (neutral atom -kvantecomputer) muligvis kan gøre med et par gange 10.000 qubits ville være sammenlignelig med, hvad i en superledende kvantecomputer muligvis kræver hundreder af tusinder af qubits.”

Men den bedste qubit kan være den, du aldrig engang bemærker. Dagens kvantecomputerforskere ønsker, at fremtidens ingeniører skal tænke på deres enheder som kun en anden god computerressource sammen med traditionel supercomputing eller AI, snarere end eksotiske maskiner, hvor det stadig kan være vigtigt at forstå den nitty-gritty af hardware. ”Mit håb er, at ingen til sidst vil nogen nogensinde være nødt til at tænke på fysiske qubits igen,” siger Bloom. På det tidspunkt fungerer kvantecomputere muligvis ikke bare, men at tackle problemer, der virkelig kan ændre verden.