Naarmate nieuwe apparaten kwantumcomputing dichter bij praktisch gebruik brengen, het journaal Natuur vroeg Princeton computerwetenschapper Margaret Martonosi en twee collega's onlangs om de staat van de software te beoordelen die nodig is om deze krachtige computationele benadering te benutten.

Vertrouwend op subtiele kwantummechanische effecten voor gegevensopslag en berekening, kwantumcomputers zijn veelbelovend om bepaalde soorten berekeningen enorm te versnellen. Martonosi, de Hugh Trumbull Adams '35 hoogleraar computerwetenschappen, legde in een interview uit dat hoewel kwantumcomputers fundamenteel anders zijn dan klassieke, beide vereisen een efficiënte keten van software om te werken. Haar co-auteurs in Nature zijn professoren informatica Frederic Chong en Diana Franklin van de Universiteit van Chicago.

Wat is kwantumcomputing, en wat is het verschil met standaard - of klassieke - computers?

Bij klassieke informatica, we hebben jarenlang computers gebouwd die afhankelijk zijn van binaire waarden voor wat we de staat noemen, of de opslaggegevens, in de automaat. Dus de waarde kan 0 of 1 zijn. En we hebben de mogelijkheid opgebouwd om rekenkundige of logische bewerkingen uit te voeren op basis van de 0 of 1 waarden. Bij kwantumcomputers in plaats van deze klassieke 0 of 1 bits, we hebben zogenaamde kwantumbits of qubits. Je kunt een qubit zien als een probabilistische verdeling van veel mogelijke waarden. Het is dus niet 0 of 1, maar een "superpositie" van verschillende toestanden. In staat zijn om deze complexe toestanden te manipuleren, men kan unieke berekeningen doen die verder gaan dan de eenvoudige optel- of logische bewerkingen van een klassieke computer.

Quantum computing maakt het mogelijk om aanzienlijk krachtigere berekeningen te doen, conceptueel althans, met relatief minder qubits dan de staatsbits die vereist zijn voor een klassiek alternatief. Er zijn enkele kwantumalgoritmen die de mogelijkheid voor aanzienlijke versnelling laten zien, soms zelfs exponentiële versnelling, boven de klassieke benadering. Bijvoorbeeld, er zijn enkele grootschalige problemen die tientallen of honderden jaren zouden kosten om op een klassieke machine te berekenen - waardoor ze in wezen onhandelbaar zouden worden - maar als er geschikte kwantumhardware bestond, het bijbehorende kwantumalgoritme zou ervoor kunnen zorgen dat die taken in uren in plaats van decennia kunnen worden opgelost. Het feit dat we dingen potentieel exponentieel sneller kunnen doen in een kwantumcomputer, heeft ertoe geleid dat de wereld erg geïntrigeerd is door de mogelijkheden.

Een kwantumcomputer is dus niet zomaar een snellere versie van een standaardcomputer?

Het gebruikt totaal verschillende fysieke kenmerken om de berekeningen uit te voeren. En daardoor kan het sneller, mogelijk, bij sommige berekeningen hoewel het nog steeds afhankelijk is van de klassieke volgorde van de bewerkingen en de klassieke controle van de bewerkingen. Dus een van de grote aandachtsgebieden van de afgelopen 10 jaar is het verkrijgen van kwantumalgoritmen die theoretisch exponentiële snelheid laten zien om te zien hoe deze algoritmen echt zullen worden toegewezen aan echte kwantumhardware, en wat voor soort versnellingen mogelijk zullen zijn als we beginnen met het bouwen van echte kwantumhardware.

Uw artikel in Natuur zegt dat quantum computing een kritieke fase heeft bereikt, dat je een 'buigpunt' noemt. Waarom nu?

Het is een scala aan dingen. Jarenlang hadden we kwantumalgoritmen die theoretisch schetsten hoe ze kwantumsuperpositie en verstrengeling (het vermogen van kwantumtoestanden om met elkaar te interageren) konden gebruiken. maar had geen hardware om op toe te wijzen. In de tussentijd, er waren natuurkundigen die individuele qubit-technologieën bouwden, maar zo weinig qubits bouwen - één voor één, of twee tegelijk - dat je niet echt een idee kon krijgen hoe je ermee moest rekenen.

Wat er nu gebeurt, is dat het aantal qubits dat kan worden gebouwd, binnenkort groot genoeg zal zijn dat je praktisch moet nadenken over hoe je systemen kunt bouwen om ermee te rekenen. Dus waar het voorheen OK was om eenvoudig individuele qubits te bouwen en hun eigenschappen eenmalig te testen, nu beginnen mensen na te denken over hoe ze er echte computersystemen van kunnen bouwen, inclusief inzicht in hoe de opslag zal werken, hoe de communicatie zal verlopen.

Dus als we het hebben over het bouwen van kwantumcompilers (software die de instructies van programma's in de hardware uitvoert) of kwantumtoolflows (software die applicaties optimaliseert), we doen het om een ​​paar redenen. Een reden is dat wanneer kwantumcomputers van steeds interessantere afmetingen worden gebouwd, we willen voor hen kunnen compileren. Een andere reden is dat, nog voordat de machines zijn gebouwd, we willen verschillende designtrade-offs beter kunnen beoordelen. Dus de tool stroomt die het papier bespreekt, het type waaraan mijn medewerkers en ik hebben gewerkt, zijn een manier om enkele van de beoordelingen uit te voeren die zullen helpen te zien welke algoritmen profiteren van welke technologiekeuzes, of welke organisatorische keuzes, terwijl onderzoekers de hardware bouwen.

Het andere aspect van het buigpunt is in termen van rente en financiering. We zijn nu op een punt waar je een 16-qubit kwantumcomputer op het web kunt gebruiken. IBM, door zijn Quantum Experience-inspanningen, heeft een kwantumcomputer uitgebracht die iedereen kan gebruiken. Google, Microsoft, Intel en anderen streven er allemaal naar om aanzienlijk grotere kwantumcomputers te bouwen dan ooit zijn gebouwd. En er is een beetje een race aan de gang om te zien wie hoe ver zal komen en wanneer. Dus nu de industrie veel aandacht besteedt aan het bouwen van kwantumcomputers, Ik denk dat het de geloofwaardigheid heeft verhoogd dat er hier iets is, er is iets om op te focussen. En als een resultaat, het heeft het tempo verhoogd waarmee ook andere delen van de kwantumonderzoeksruimte zijn verplaatst.

Kan kwantumcomputing net zo ingrijpend zijn als klassieke computing of is het waarschijnlijk meer gespecialiseerd?

Als je kijkt naar de kwantumalgoritmen die tot nu toe zijn ontwikkeld, ze zijn relatief gefocust. Er zijn een paar gebieden waar kwantum het potentieel voor versnelling laat zien, maar er zijn veel gebieden waar we nog geen kwantumalgoritmen hebben die versnelling laten zien. Dus niemand ziet kwantumcomputing het klassieke volledig verdringen. Het zal de komende tijd niet op die manier worden gebruikt. Liever, mensen zien kwantumcomputing nuttig zijn voor een aantal zeer gerichte berekeningen. Je kunt het zien als een gespecialiseerde versneller voor die berekeningen.

Voor vele jaren, een belangrijke katalysator voor interesse in kwantumcomputing was het feit dat veel van onze huidige coderingsmethoden gebaseerd zijn op de veronderstelling dat het factoriseren van grote getallen rekenkundig moeilijk zal zijn. En kwantumcomputers, in het bijzonder iets dat Shor's algoritme wordt genoemd, heeft een manier laten zien om die factoring drastisch te versnellen. Dus al vele jaren een van de belangrijkste aandachtstrekkers over kwantum was de zorg of kwantumcomputing zou - citeer, unquote—"breek encryptie."

Wat we nu zien is, Allereerst, de coderingsgemeenschap ontwikkelt nieuwe algoritmen die zijn ontworpen om kwantumresistent te zijn. Dat gaat op een bepaald niveau vooruit. Tegelijkertijd, we zien dat het factoring-algoritme dat de codering zou kunnen "breken" in feite zoveel qubits vereist dat het een tijdje zal duren voordat we het kunnen gebruiken om de grote aantallen die in onze encryptie-algoritmen worden gebruikt, te ontbinden. Dus, om die reden, factoring is op dit moment niet de grootste algoritmische aandachtstrekker binnen de quantumcomputergemeenschap zelf.

Maar liever, er zijn andere algoritmen die aandacht krijgen als het gaat om het simuleren van moleculen. De zogenaamde kwantumchemie is tegenwoordig interessant, en lijkt een toepassingsgebied te zijn dat we eerder zouden kunnen bereiken met het soort machines dat we voor ogen hebben dat we eerder in de tijdlijn kunnen bouwen.

U noemt het concept van hybride systemen die klassieke en kwantumcomputers combineren in de paper.

Dat is onvermijdelijk. Je gaat geen kwantumcomputersystemen bouwen die uitsluitend kwantum zijn. En mensen in het veld weten dit, maar het is niet goed afgeschilderd naar de buitenwereld. Om een ​​kwantumcomputer te laten werken, en om een ​​reeks kwantumbewerkingen uit te voeren, je hebt nog steeds een klassieke controle-sequencer die ingrijpt door een reeks fysieke manipulaties. En dus heb je altijd deze klassieke controle over kwantumbewerkingen.

Dus die dualiteit zal er hoe dan ook zijn. En er is interessant werk te doen om te beslissen hoe dat te organiseren, hoeveel klassieke controle waar gaat. De kwantumbewerkingen worden vaak uitgevoerd onder zeer lage temperaturen, dicht bij het absolute nulpunt. De vraag is, hoeveel van die klassieke controle kan worden gedaan bij die temperaturen versus hoeveel moet worden gedaan bij kamertemperatuur zoals we gewend zijn aan klassiek computergebruik? En dus blijven dat soort afwegingen over het ontwerp meestal onbeantwoord.

Quantum computing is erg spannend, maar er is geen garantie dat quantum computing hetzelfde traject of dezelfde adem zal hebben als klassieke computing. Op veel manieren, alles ziet er nu naar uit dat kwantumcomputing misschien beperkter is dan klassiek in zijn toepassingen. Maar het is nog steeds nuttig en leerzaam om door verschillende innovatiecycli heen te kijken en te kijken waar je al dan niet parallellen ziet.

Quantum computing is misschien gewoon een andere handige manier om te computeren?

De hoop is dat het bepaalde dingen behoorlijk zal versnellen. Dus, bijvoorbeeld, als kwantumchemie de levensvatbare toepassing wordt die het lijkt te zijn, dan kan men zich voorstellen dat het zeer invloedrijk is voor zaken als landbouw, begrijpen hoe u betere meststoffen kunt bouwen, enzovoorts, en ook voor de ontwikkeling van geneesmiddelen. Dus zelfs als het enigszins gefocust is op waar het toepasbaar is, het kan nog steeds een grote impact hebben op die gebieden.