2022 Nobel Fizik Ödülü, kuantum bilgisayarların vaadini gösteriyor

Kuantum hesaplama, geleceğin teknolojilerinden biridir – nükleer füzyon gücü veya kendi kendini süren arabalar gibi – potansiyel olarak dönüştürücü gibi görünen ve sürekli olarak erişilemez. Araştırmacılar kararlı ve güvenilir kuantum makineleri geliştirebilirse, Moore Yasası olarak yavaşlayan bilgi işlem hızını hızlandırabilir. uzun doğru tahmin Intel’in kurucu ortağı Gordon Moore, bilgisayar çiplerinin daha hızlı ve daha ucuz hale geleceğini söyledi — sona yaklaşıyor gibi görünüyor. Ancak kuantum bilimindeki en zor problemlerden bazılarını bilgisayar donanımındaki en zor problemlerle birleştiren pratik bir kuantum bilgisayara giden yol uzun ve zor olmuştur.

Kuantum hesaplamaya giden yolun ne kadar uzun olduğu – ve hedefe ulaşmanın ne kadar önemli olacağı – Salı sabahı 2022 Nobel Fizik Ödülü’nün çalışmaları “bir bilimin temelini atan” üç araştırmacıya verildiğinde yeniden netleşti. kuantum teknolojisinin yeni çağı” olarak Nobel Fizik Komitesi koydu.

Amerikalı John F. Clauser 1972’de foton çiftlerinin birbirine dolandığını göstererek parçacıkların çok uzak mesafelerle ayrıldıklarında bile tek bir birim gibi davrandıklarının altını çizdi. Paris Üniversitesi’nden Alain Aspect, on yıl sonra bu çalışmayı daha da geliştirdi ve 1998’de Avusturyalı fizikçi Anton Zeilinger, üç veya daha fazla parçacık için dolaşıklığı araştırdı. Nobel Komitesi’nin dediği gibi birlikte, “kuantum bilgisine dayalı yeni teknolojinin” yolunu açtılar.

Ancak bu yılın başlarında Yorktown Heights’taki küçük Westchester County topluluğuna yaptığım bir ziyarette öğrendiğim gibi, gerçek, uygulanabilir bir kuantum bilgisayarı teoriden çok daha fazlasını alacak. Orada, inişli çıkışlı tepelerin ve eski çiftlik evlerinin ortasında Thomas J. Watson Araştırma Merkezi oturuyor. Eero Saarinen tasarımı1960’lar IBM Research için Jet Çağı dönemi genel merkezi.

Bu binanın derinliklerinde, iris tarayıcıları tarafından korunan sonsuz koridorlar ve güvenlik kapıları boyunca, şirketin bilim adamlarının IBM’in araştırma direktörü Dario Gil’in bana “bilgi işlemin bir sonraki dalı” olduğunu söylediği şeyi geliştirmek için yoğun bir şekilde çalıştıkları yer var: kuantum bilgisayarları.

IBM’in ön izlemesini yapmak için Watson Center’daydım. güncellenmiş teknik yol haritası büyük ölçekli, pratik kuantum hesaplama elde etmek için. Bu, “kübit sayısı”, “kuantum tutarlılığı”, “hata azaltma”, “yazılım düzenlemesi” ve bilgisayar bilimi geçmişi olan ve kuantuma aşina olan bir elektrik mühendisi olmak için ihtiyaç duyacağınız diğer konular hakkında çokça konuşmayı içeriyordu. tamamen takip etmek için mekanik.

Ben bunlardan biri değilim ama kuantum hesaplama alanını yeterince uzun süre izledim IBM araştırmacıları tarafından, Google ve Microsoft gibi şirketlerdeki rakiplerinin yanı sıra dünya çapında sayısız startup tarafından burada yapılan çalışmanın, bilgi işlemde bir sonraki büyük adımı atacağını bilmek. Gil’in bana söylediği gibi, hesaplamanın “her şeye dokunan yatay bir teknoloji” olduğu göz önüne alındığında, her şeyde ilerleme için büyük etkileri olacaktır. siber güvenlik ile yapay zeka ile daha iyi piller tasarlamak.

Tabii ki, bu şeyleri gerçekten çalıştırabilmeleri şartıyla.

Kuantum alanına girmek

Bir kuantum bilgisayarı anlamanın en iyi yolu – MIT veya Caltech’te yüksek lisans için birkaç yıl ayırmanın dışında – onu bu parçayı yazdığım makine türüyle karşılaştırmaktır. açık: klasik bir bilgisayar.

My MacBook Air, 16 milyar transistörle dolu bir M1 yongası üzerinde çalışıyor. Bu transistörlerin her biri, ikili bilginin “1” veya “0”ını tek bir anda – biraz – temsil edebilir. Makineye hesaplama gücünü veren transistörlerin çokluğudur.

120,5 metrekarelik bir çip üzerine yerleştirilmiş on altı milyar transistör çok fazla — ilk transistörlü bilgisayar olan TRADIC, 800’den az vardı. Yarı iletken endüstrisinin bir çip üzerinde daha fazla transistör tasarlama yeteneği, Intel’in kurucu ortağı Gordon Moore’un bir trend tahminidir. onun adını taşıyan yasabilgi işlem gücünün üstel büyümesini mümkün kılan şeydir ve bu da hemen hemen her şeyi mümkün kılmıştır.

Bryan Walsh/Vox

Ancak klasik bilgisayarların yapamayacakları ve Tayvan’daki bir yarı iletken üretim tesisinde (veya endüstri dilinde “fab”) bir kare silikon üzerine ne kadar transistör doldurulursa doldurulsun asla yapamayacakları şeyler var. İşte burada kuantum bilgisayarların benzersiz ve açıkçası tuhaf özellikleri devreye giriyor.

Kuantum bilgisayarlar, bitler yerine bilgileri aynı anda “0” ve “1”i temsil edebilen kübitleri kullanarak işler. Bunu nasıl yapıyorlar? Buradaki uzmanlık seviyemi zorluyorsunuz, ancak esasen kübitler, “süperpozisyon” olarak bilinen kuantum mekaniksel fenomeni kullanır, bu sayede bazı atom altı parçacıkların özellikleri, ölçülene kadar tanımlanmaz. Schrödinger’in kedisini düşünün, aynı anda ölü ve diri kutusunu açana kadar.

Tek bir kübit sevimlidir, ancak daha fazlasını eklemeye başladığınızda işler gerçekten heyecan verici hale gelir. Klasik bilgi işlem gücü, her bir transistörün eklenmesiyle doğrusal olarak artar, ancak bir kuantum bilgisayarın gücü katlanarak artar. her yeni güvenilir kübitin eklenmesiyle. Bunun nedeni, her bir kübitin bireysel olasılıklarının sistemdeki diğer kübitlerden etkilenebildiği “dolanıklık” adı verilen başka bir kuantum mekanik özelliğidir.

Tüm bunlar, uygulanabilir bir kuantum bilgisayarın gücünün üst sınırının, klasik hesaplamada mümkün olanın çok ötesinde olduğu anlamına gelir.

Böylece kuantum bilgisayarlar, klasik bir bilgisayarın ne kadar güçlü olursa olsun asla çözemeyeceği sorunları teorik olarak çözebilir. Ne tür problemler? Sonuç olarak klasik mekanikte değil de kuantum mekaniğinde işleyen maddi gerçekliğin temel doğasına ne dersiniz? (Üzgünüm Newton.) IBM’in kuantum hesaplamadan sorumlu başkan yardımcısı Jay Gambetta, “Kuantum bilgisayarlar doğada ve kimyada bulduğumuz sorunları simüle ediyor” dedi.

Kuantum bilgisayarlar, günümüzün sürümlerinden çok daha verimli ve güçlü bir pil tasarlamaya yardımcı olmak için teorik bir pilin özelliklerini simüle edebilir. Karmaşık lojistik sorunları çözebilir, en uygun dağıtım yollarını keşfedebilir veya iklim bilimi için tahminleri geliştirebilirler.

Güvenlik tarafında, kuantum bilgisayarlar kriptografi yöntemlerini kırabilir ve potansiyel olarak e-postalardan finansal verilere ve ulusal sırlara kadar her şeyi güvensiz hale getirebilir – bu yüzden kuantum üstünlüğü yarışı aynı zamanda uluslararası bir rekabettir, Çin hükümeti milyarlarca dolar akıtıyor. Bu endişeler, Beyaz Saray’ın bu ayın başlarında yeni bir muhtıra yayınla Kuantum hesaplamada ulusal liderliği tasarlamak ve ülkeyi kuantum destekli siber güvenlik tehditlerine hazırlamak.

Güvenlik konularının ötesinde, potansiyel finansal yükselişler önemli olabilir. Şirketler şimdiden bulut aracılığıyla erken dönem kuantum bilişim hizmetleri sunuyor. Exxon Mobil gibi müşteriler ve İspanyol bankası BBVA. 2020’de küresel kuantum bilgisayar pazarının değeri 500 milyon doların altındayken, International Data Corporation projeler 2027 yılına kadar 16 milyar dolardan fazla yatırımla 8.6 milyar dolar gelire ulaşacağını söyledi.

Ancak araştırmacılar kuantum bilgisayarı hala büyük ölçüde bilimsel bir deneyden güvenilir bir endüstriye dönüştürmek gibi zorlu mühendislik çalışmalarını yapmadıkça bunların hiçbiri mümkün olmayacaktır.

soğuk oda

Watson binasının içinde, IBM’in deneysel kuantum bilgisayar merkezini yöneten Jerry Chow, bana altından yapılmış bir avizeye benzeyen bir şey göstermek için 9 metrelik bir cam küp açtı: IBM’in Kuantum Sistemi Bir. Chow, avizenin çoğu, esasen, donanımı mutlak sıfırın üzerinde bir santigrat derecenin 100’üne kadar soğutabilen süper sıvıları taşıyan bobinlere sahip, yüksek teknolojili bir buzdolabıdır – Chow bana, uzaydan daha soğuk dedi.

Soğutma, IBM’in kuantum bilgisayarlarının çalışmasını sağlamanın anahtarıdır ve aynı zamanda bunu yapmanın neden böyle bir mühendislik zorluğu olduğunu da gösterir. Kuantum bilgisayarlar potansiyel olarak klasik muadillerinden çok daha güçlü olsalar da, aynı zamanda çok, çok daha titizdirler.

Süperpozisyon ve dolaşıklığın kuantum özellikleri hakkında söylediklerimi hatırlıyor musunuz? Kübitler, bir nebze bile olsa hayal bile edemeyecekleri şeyleri yapabilirken, sıcaklık, gürültü veya radyasyondaki en ufak bir değişiklik, onların bu özelliklerini eşevresizlik adı verilen bir şey yoluyla kaybetmelerine neden olabilir.

Bu süslü soğutma, bilgisayar hesaplamalarını tamamlamadan önce sistemdeki kübitlerin şifresinin çözülmesini önlemek için tasarlandı. En eski süper iletken kübitler, bir nanosaniyeden daha kısa bir sürede tutarlılığını kaybederken, bugün IBM’in en gelişmiş kuantum bilgisayarları, tutarlılığı mümkün olduğu kadar çok süre boyunca koruyabilir. 400 mikrosaniye. (Her saniye 1 milyon mikrosaniye içerir.)

Chow, IBM’in ve diğer şirketlerin karşılaştığı zorluk, “sistemleri binlerce, hatta on binlerce kübitin ötesinde, belki de milyonlarcasına ölçeklendirirken” hataya daha az açık olan kuantum bilgisayarları tasarlamaktır.

Bu yıllar sonra olabilir. Geçen yıl IBM, 127 kübitlik bir işlemci olan Eagle’ı tanıttı ve yeni teknik yol haritasında, bu yıl içinde Osprey adı verilen 433 kübitlik bir işlemciyi ve 2025 yılına kadar 4.000’den fazla kübitlik bir bilgisayarı piyasaya sürmeyi hedefliyor. O zamana kadar IBM CEO’su Arvind Krishna, kuantum hesaplama deney aşamasının ötesine geçebilir gazetecilere söyledi bu ayın başlarında bir basın toplantısında.

Pek çok uzman, IBM’in veya rakiplerinden herhangi birinin oraya ulaşacağı konusunda şüphecidir ve kuantum bilgisayarların sunduğu mühendislik problemlerinin basit olduğu olasılığını yükseltir. çok zor sistemlerin gerçekten güvenilir olması için. “Son on yılda olan şey, tüm bu makine öğrenimi problemlerini çözmek gibi, bir kuantum bilgisayarla yapabileceğiniz daha acil şeyler hakkında çok sayıda iddianın olduğudur” Teksas, bana geçen yıl söyledi. Ama bu iddialar yüzde 90 saçmalık” dedi. Bu vaadi yerine getirmek için “biraz devrimci gelişmeye ihtiyacınız olacak”.

Giderek artan dijital bir dünyada, daha fazla ilerleme, yarattığımız bilgisayarlardan her zamankinden daha fazla yararlanma yeteneğimize bağlı olacaktır. Ve bu, Chow ve meslektaşları gibi, bilgisayar mühendisliğindeki en zor problemlerden bazıları etrafında devrim niteliğinde yeni bir gelişme elde etmek için penceresiz laboratuvarlarda emek harcayan ve bu arada geleceği inşa etmeye çalışan araştırmacıların çalışmalarına bağlı olacaktır.

Bu hikayenin bir versiyonu ilk olarak Future Perfect bülteninde yayınlandı. buradan kaydolun abone olmak!

Güncelleme, 4 Ekim, 16:00 ET: Bu hikaye ilk olarak 24 Mayıs’ta yayınlandı ve Clauser, Aspect ve Zeilinger’in 2022 Nobel Fizik Ödülü’nü aldığını yansıtacak şekilde güncellendi.