Al meer dan 50 jaar, De wet van Moore heeft opperste geregeerd. De observatie dat het aantal transistors op een computerchip ongeveer elke twee jaar verdubbelt, heeft het tempo bepaald voor onze moderne digitale revolutie:het maken van smartphones, personal computers en huidige supercomputers mogelijk. Maar de wet van Moore vertraagt. En zelfs als dat niet zo was, sommige van de grote problemen die wetenschappers moeten aanpakken, liggen mogelijk buiten het bereik van conventionele computers.

De afgelopen jaren, onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben een drastisch ander soort computerarchitectuur onderzocht op basis van kwantummechanica om enkele van de moeilijkste wetenschappelijke problemen op te lossen. Met financiering voor laboratoriumgericht onderzoek en ontwikkeling (LDRD), ze hebben kwantumchemie en optimalisatie-algoritmen ontwikkeld, evenals prototype supergeleidende kwantumprocessors. Onlangs, ze bewezen de levensvatbaarheid van hun werk door deze algoritmen te gebruiken op een kwantumprocessor die bestaat uit twee supergeleidende transmon-quantumbits om het chemische probleem van het berekenen van het volledige energiespectrum van een waterstofmolecuul met succes op te lossen.

Nutsvoorzieningen, twee onderzoeksteams onder leiding van Berkeley Lab-medewerkers zullen financiering ontvangen van het Department of Energy (DOE) om voort te bouwen op dit momentum. Eén team krijgt in drie jaar 1,5 miljoen dollar om nieuwe algoritmen te ontwikkelen. het compileren van technieken en planningstools waarmee op korte termijn quantum computing-platforms kunnen worden gebruikt voor wetenschappelijke ontdekkingen in de chemische wetenschappen. Het andere team zal nauw samenwerken met deze onderzoekers om prototypes van vier en acht qubit-processors te ontwerpen om deze nieuwe algoritmen te berekenen. Dit project duurt vijf jaar en de onderzoekers ontvangen $ 1,5 miljoen voor hun eerste werkjaar. Tegen jaar vijf, het hardwareteam hoopt een 64-qubit-processor met volledige controle te demonstreren.

"Op een dag, universele kwantumcomputers zullen een breed scala aan problemen kunnen oplossen, van moleculair ontwerp tot machine learning en cyberbeveiliging, maar daar zijn we nog ver vanaf. Dus, de vraag die we momenteel stellen is of er specifieke problemen zijn die we kunnen oplossen met meer gespecialiseerde kwantumcomputers, " zegt Irfan Siddiqi, Berkeley Lab Scientist en stichtend directeur van het Center for Quantum Coherent Science aan UC Berkeley.

Volgens Siddiqi, de huidige quantum coherente computertechnologieën hebben de vereiste coherentietijden, logische bewerkingsgetrouwheden en circuittopologieën om gespecialiseerde berekeningen uit te voeren voor fundamenteel onderzoek op gebieden zoals moleculaire en materiaalkunde, numerieke optimalisatie en hoge-energiefysica. In het licht van deze vorderingen, hij merkt op dat het tijd is voor DOE om te onderzoeken hoe deze technologieën kunnen worden geïntegreerd in de high-performance computing-gemeenschap. Bij deze nieuwe projecten de Berkeley Lab-teams zullen samenwerken met medewerkers in de industrie en de academische wereld om voort te bouwen op deze vooruitgang en moeilijke wetenschappelijke problemen met DOE-missie aan te pakken, zoals het berekenen van moleculaire systeemdynamica en kwantummachine learning.

"We bevinden ons in de vroege stadia van kwantumcomputers, een beetje zoals waar we waren met conventionele computers in de jaren veertig. We hebben een deel van de hardware, nu moeten we een robuuste set software ontwikkelen, algoritmen en tools om het optimaal te gebruiken om echt harde wetenschappelijke problemen op te lossen, zegt Bert de Jong, die de Computational Chemistry leidt, Materials and Climate Group in de Computational Research Division (CRD) van Berkeley Lab.

Hij zal leiding geven aan een DOE Quantum Algorithms Team bestaande uit onderzoekers van Berkeley Lab, Harvard, Argonne National Lab en UC Berkeley richtten zich op "kwantumalgoritmen, Wiskunde en Compilatie Tools voor Chemische Wetenschappen."

"Berkeley Lab's traditie van teamwetenschap, evenals de nabijheid van UC Berkeley en Silicon Valley, maakt het een ideale plek om end-to-end aan quantum computing te werken, " zegt Jonathan Carter, Adjunct-directeur van Berkeley Lab Computing Sciences. "We hebben natuurkundigen en scheikundigen in het laboratorium die de fundamentele wetenschap van de kwantummechanica bestuderen, ingenieurs om kwantumprocessors te ontwerpen en te fabriceren, evenals computerwetenschappers en wiskundigen om ervoor te zorgen dat de hardware in staat zal zijn om DOE-wetenschap effectief te berekenen."

Voerman, Jonathan DuBois van Siddiqi en Lawrence Livermore National Laboratory zal het Advanced Quantum-Enabled Simulation (AQuES) Testbed-project van DOE leiden.

Uitdaging van Quantum Coherentie

De sleutel tot het bouwen van kwantumcomputers die wetenschappelijke problemen oplossen die buiten het bereik van conventionele computers liggen, is 'kwantumcoherentie'. Dit fenomeen stelt kwantumsystemen in wezen in staat om veel meer informatie per bit op te slaan dan in traditionele computers.

Op een conventionele computer, de circuits in een processor bevatten miljarden transistors - kleine schakelaars die worden geactiveerd door elektronische signalen. De cijfers 1 en 0 worden binair gebruikt om de aan- en uittoestanden van een transistor weer te geven. Dit is in wezen hoe informatie wordt opgeslagen en verwerkt. Wanneer programmeurs computercode schrijven, een vertaler zet het om in binaire instructies - enen en nullen - die een processor kan uitvoeren.

In tegenstelling tot een traditioneel bit, een kwantumbit (qubit) kan enigszins contra-intuïtieve kwantummechanische eigenschappen aannemen, zoals verstrengeling en superpositie. Kwantumverstrengeling treedt op wanneer paren of groepen deeltjes op een zodanige manier met elkaar omgaan dat de toestand van elk deeltje niet afzonderlijk kan worden beschreven; in plaats daarvan moet de toestand worden beschreven voor het systeem als geheel. Met andere woorden, verstrengelde deeltjes werken als een eenheid. Superpositie treedt op wanneer een deeltje tegelijkertijd in een combinatie van twee kwantumtoestanden bestaat.

Dus terwijl een conventionele computerbit informatie codeert als 0 of 1, een qubit kan 0 zijn, 1 of een superpositie van toestanden (zowel 0 als 1 tegelijk). Het vermogen van een qubit om in meerdere toestanden te bestaan, betekent dat het kan, bijvoorbeeld, maken de berekening van materiaal- en chemische eigenschappen aanzienlijk sneller mogelijk dan traditionele computers. En als deze qubits kunnen worden gekoppeld of verstrengeld in een kwantumcomputer, problemen die tegenwoordig niet met conventionele computers kunnen worden opgelost, kunnen worden aangepakt.

Maar om qubits in deze staat van kwantumcoherentie te krijgen, waar ze kunnen profiteren van kwantummechanische eigenschappen en er vervolgens het beste van kunnen maken wanneer ze zich in deze staat bevinden, blijft een uitdaging.

"Quantum computing is als het spelen van een schaakspel waarbij de stukken en het bord van ijs zijn gemaakt. Terwijl de spelers rond de stukken schudden, de componenten smelten, en hoe meer bewegingen je maakt, hoe sneller het spel zal smelten, "zegt Carter. "Qubits verliezen in een heel korte tijd hun coherentie, dus het is aan ons om de meest bruikbare reeks bewegingen te bedenken die we kunnen maken."

Carter merkt op dat de Berkeley Lab-benadering van het co-ontwerpen van de kwantumprocessors in nauwe samenwerking met de onderzoekers die kwantumalgoritmen ontwikkelen, compileertechnieken en planningstools zullen zeer nuttig zijn om deze vraag te beantwoorden.

"Computationele benaderingen zijn gebruikelijk in de meeste wetenschappelijke projecten bij Berkeley Lab. Naarmate de wet van Moore vertraagt, nieuwe computerarchitecturen, systeem, en technieken zijn een prioriteitsinitiatief geworden bij Berkeley Lab, " zegt Horst Simon, adjunct-directeur van Berkeley Lab. "We zagen al vroeg in hoe kwantumsimulatie een effectieve aanpak zou kunnen bieden voor enkele van de meest uitdagende computerproblemen in de wetenschap, en ik ben blij te zien dat ons LDRD-initiatief wordt erkend door deze eerste directe financiering. Kwantuminformatiewetenschap zal een steeds belangrijker onderdeel worden van onze onderzoeksonderneming in vele disciplines."

Omdat dit vakgebied nog in de kinderschoenen staat, er zijn veel benaderingen voor het bouwen van een kwantumcomputer. De door Berkeley Lab geleide teams gaan supergeleidende kwantumcomputers onderzoeken.

Om de volgende generatie kwantumprocessors te ontwerpen en te fabriceren, het AQuES-team zal gebruikmaken van de supergeleidende circuitfaciliteit in het Quantum Nanoelectronics Laboratory van UC Berkeley, terwijl het de expertise van onderzoekers in Accelerator Technology and Applied Physics van Berkeley Lab zal opnemen, Materialen Science en Engineering divisies. De onderzoeksteams zullen ook gebruikmaken van de unieke mogelijkheden van twee DOE-faciliteiten; de Molecular Foundry en het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), beide gevestigd in Berkeley Lab.