比赛正在建立世界’s first meaningful 量子计算机—一个可以提供技术的人’我们长期以来,帮助科学家的能力做像开发奇迹新材料的东西,加密具有近乎完美安全性的数据,准确地预测地球’气候将改变。这样的机器很可能十多年来,但IBM,微软,谷歌,英特尔和其他科技重量级呼吸悠闲地吹出,沿途,逐步逐步推出。这些里程碑中的大多数都涉及包装更多的量子位,或者 Qubits.—a中的基本信息单位 量子计算机—在处理器芯片上。但是量子计算的路径涉及远远超过绞痛的亚原子粒子。

Qubit同时可以表示0和1,物理学中已知的唯一量子现象作为叠加。这让Qubits进行 大量的计算 立即增加计算速度和容量。但是有不同类型的Qubits,而不是全部创建平等。在一个 可编程硅量子芯片例如,钻头是否为1或0取决于其电子旋转的方向。然而,所有夸张都是臭名脆弱的,一些需要约20毫克的温度—比深空的250倍—to remain stable.

当然,量子计算机不仅仅是其处理器。这些下一代系统还需要新的算法,软件,互连和一些专门设计用于利用系统的其他尚未发明的技术’S巨大的处理能力—以及允许计算机’S结果要共享或存储。“If it wasn’t complicated, we’D已经拥有其中一个,” says 吉姆克里克,英特尔实验室的量子硬件总监(PDF.)。在今年早些时候的美国消费电子展上,英特尔推出了一个49态处理器代码命名“Tangle Lake.”几年前,该公司为量子计算软件创建了一个虚拟测试环境;它利用了强大的“踩踏”超级计算机(在奥斯汀的德克萨斯大学),模拟了42态的处理器。然而,为了真正了解如何为量子计算机编写软件,但是,它们需要能够模拟数百次甚至数千次QUBits,Clarke添加。

科学周报 克拉克关于建立量子计算机的不同方法谈话,为什么他们如此脆弱—为什么这一切都需要这么久。

[接受采访的编辑成绩单。]

量子计算如何与传统计算比较?

用于比较两者的常见隐喻是硬币。在传统的计算机处理器中,晶体管向上或向下,头部或尾部。但如果我问你是否是它的头部或尾部’旋转,你可能会说答案都是。那’S Quantum Computer建立的内容。而是传统的位’s 0或1,您有一个同时表示0的量子位 1,直到该量子位停止旋转并达到休息状态。

国家空间—或者采样大量可能的组合的能力—是用量子计算机的指数。进一步拍摄硬币隐喻,想象一下我手里有两个硬币,我同时在空中扔掉它们。虽然他们 ’重新旋转它们将代表四种可能的状态。如果我在空中扔了三枚硬币,他们将代表八种可能的状态。如果我有50个硬币并在空中扔了他们,并问你有多少代表的国家,答案会更多的州,而不是当今世界上最大的超级计算机。三百枚硬币—仍然是一个相对较小的数字—将代表宇宙中有atoms的更多州。

为什么Qubits如此脆弱?

现实是硬币,或夸张,最终停止旋转和塌陷到特定状态下’头部或尾巴。具有量子计算的目标是保持它们在多个态的叠加中旋转很长时间。想象一下,我在桌子上有一个硬币旋转,有人正在摇晃那张桌子。这可能导致硬币更快地跌倒。噪声,温度变化,电波动或振动—所有这些都可以打扰一个qubit’操作并导致它失去其数据。一种稳定某些类型的Qubits的一种方法是让它们非常寒冷。我们的Qubits在稀释冰箱中运行’大约是55加仑桶的大小,并使用氦的特殊同位素来冷却它们的一小部分以上绝对零(粗略)–273摄氏度)。

不同类型的Qubits如何彼此不同?

可能没有少于六种或七种不同类型的Qubits,并且它们可能是其中的三个或四个正在积极考虑用于量子计算。差异有关如何操纵Qubits,以及您如何让它们彼此交谈。你需要两个Qubits来互相交谈以做大“entangled”计算和不同的qubit类型具有不同的纠缠方式。我所描述的类型是需要极端冷却的类型称为超导系统,包括我们的裸机湖泊处理器以及由谷歌,IBM和其他人建造的量子计算机。另一种方法使用被困离子的振荡指控—通过激光束保持在真空室中—用作Qubits。英特尔不是开发被困的离子系统,因为它们需要深入了解激光和光学器件,这不一定适合我们的优势。

也就是说,我们正在研究我们称之为硅旋转Qubits的第三种类型,其看起来与传统的硅晶体管完全相同,而是使用单个电子操作。旋转Qubits使用微波脉冲来控制该电子的旋转以提供它们的量子功率。这项技术今天的成熟程度不如超导Qubit技术,但也许有更大的扩展和商业化的途径。

你如何从这里到达那里?

第一步是制作这些量子芯片。与此同时,我们’实际上在超级计算机上制作了模拟器。当我们运行时 英特尔 quantum simulator,它需要像五亿横向晶体管一样模拟42 QUBits。它可能需要100万或更多的Qubits来实现商业相关性,但从类似的模拟器开始,您可以构建基本体系结构,编译器和算法。直到我们有几百到一千个Qubits的物理系统,它’■确切不清楚我们的软件或应用程序’能够运行。有两条路径越来越多的系统:一个是添加更多Qubits,这将占用更多的物理空间。问题是,如果我们的目标是拥有一百万QUBBit计算机,那么数学就没有’在缩放方面锻炼得太好了。另一条路径是为了缩小集成电路的内部尺寸,但是这种方法不太可能与超导系统不太可能大。 Spin Qubits的百万次数小,这是我们的原因之一’重新将它们作为另一种选择。

除了我们希望提高Qubits的质量,这将有助于我们测试算法并构建我们的系统。质量是指信息随着时间的推移传递的保真度。虽然系统的许多部分将提高质量,但最大的进步将通过材料工程和微波脉冲和其他控制电子设备的准确性改进。

美国房屋小组委员会数字商业和消费者保护持有 听力 关于量子计算最近。立法者想知道这项技术是什么?

有多个不同委员会的多个听证会。如果我们看一下量子计算,有些人会说这是 未来100年的计算技术。它’对美国和其他政府的自然而来,想要拥有它。 E.U.拥有十亿美元的旗舰,将在e.u中资助量子研究。中国去年秋季宣布了10亿美元的研究设施,专注于量子信息科学。问题是:我们在国家一级的国家可以做些什么?全国量子计算战略可能导致大学,政府和行业共同努力制定技术的不同方面。标准肯定是从通信或软件架构的立场进行意义。劳动力也是一个问题;现在,当我为量子计算专家开设一个职位时,可能三分之二的申请人来自美国外部

如果有的话,可能会对人工智能的发展有什么影响?

通常,所提出的第一个量子算法是用于安全性(例如加密)或化学和材料建模。这些是与传统计算机基本上侵扰的问题。也就是说,有一系列文件以及初创公司和大学团体,致力于使用量子计算机等机器学习和AI等事物。鉴于AI开发的时间框架,我期望专门针对AI算法优化的传统芯片对技术的影响而不是量子芯片。尽管如此,AI仍然是对量子计算的公平游戏。

我们什么时候会看到工作量子计算机解决现实世界问题?

引入了第一晶体管 1947。遵循第一次集成电路 1958。英特尔’第一个微处理器—只有大约2,500个晶体管—didn’t arrive until 1971。这些里程碑中的每一个都超过了十年。人们认为量子计算机恰好在拐角处,但历史表明这些进步需要时间。如果从现在开始10年,我们有一个Quantum计算机,其中有几千夸张,这肯定会以同样的方式改变世界第一微处理器所做的。我们和其他人一直在说’离开了10年。有些人说’只有三年的距离,我会争辩说他们不’T对技术是多么复杂。