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Die unwahrscheinlichen Ursprünge des ersten Quantencomputers

Ryan F. Mandelbaum Jan 03, 2019. 0 comments
gizmodo-saturated.png Erste Woche Diese Woche werfen wir einen Blick auf die ersten Dinge, die frühen Dinge und - besser oder schlechter - die Dinge, die # 1 sind.   

Bereits 1998 veröffentlichten zwei Teams innerhalb weniger Tage die Ergebnisse der ersten Quantenberechnungen in der realen Welt. Aber die ersten Quantencomputer waren überhaupt keine Computer. Sie waren biochemische Geräte und stützten sich auf die gleiche Wissenschaft wie MRT-Geräte.

Sie könnten sich Quantencomputer als ein hartgesottenes Rennen zwischen Computerunternehmen vorstellen, um ein leistungsfähiges Verarbeitungsgerät zu bauen, das eine realistischere KI ermöglicht, die Medizin revolutioniert und die Verschlüsselung zum Schutz unserer Daten knackt. Tatsächlich führten die Prototyp-Quantencomputer der späten 1990er Jahre indirekt zu den von Google und IBM gebauten Quantencomputern. Aber so begann nicht alles - es begann mit Physikern, die aus Neugierde mit mathematischen und biochemischen Geräten bastelten.

"Es war in keiner Weise motiviert, bessere Computer zu bauen."

"Es war in keiner Weise motiviert, bessere Computer herzustellen", sagte mir Neil Gershenfeld, Direktor des MIT-Zentrums für Bits und Atoms und Mitglied eines der beiden Teams, die zunächst experimentell Quantenalgorithmen verwirklicht hatten.   "Es war zu verstehen, ob das Universum rechnet und wie das Universum berechnet."

Computer sind nur Systeme, die mit einer abstrahierten Eingabe beginnen und darauf eine Reihe von Anweisungen anwenden, um eine Ausgabe zu erhalten. Heutige Computer übersetzen Eingänge, Anweisungen und Ausgaben in Schalter, so genannte Bits, die entweder Null oder Eins sind und deren Werte andere Schalter steuern. Wissenschaftler haben Computer seit langem verwendet, um die Gesetze der Physik zu simulieren. Sie hoffen, besser zu verstehen, wie das Universum funktioniert. Sie können beispielsweise simulieren, wie weit ein Ball gehen wird, je nachdem, wo er beginnt und wie schnell er geworfen wird.

Die Verwendung von Bits zur Simulation der Physik war für den berühmten Physiker Richard Feynman jedoch nicht sinnvoll, da die Gesetze der Physik auf kleinster Ebene in einem Satz von Regeln wurzeln, die als Quantenmechanik bezeichnet werden. "Natur ist nicht klassisch, verdammt noch mal, und wenn Sie eine Simulation der Natur machen wollen, sollten Sie sie quantenmechanisch machen", sagte Feynman auf einer Konferenz von 1981.

Eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern theoretisierte die Anwendung dieser Regeln, um im folgenden Jahrzehnt bessere Simulationen zu erstellen. Anstelle von Schaltern sind die Bits der Quantensimulation die dualen Teilchenwellen der Quantenmechanik. Jedes einzelne Quantenbit wäre immer noch auf zwei Möglichkeiten beschränkt, aber als Wellen können sie einen dieser Zustände gleichzeitig mit unterschiedlichen Stärken annehmen und wie Meereswellen miteinander interagieren - entweder die Stärke bestimmter Kombinationen von Wahlmöglichkeiten verstärken oder Kombinationen auslöschen . Sobald Sie diese Quantenbits gemessen haben, rastet jedes Bit sofort in einem einzigen Zustand ein. Diese Stärken oder Amplituden übertragen sich in die Wahrscheinlichkeit, mit jedem Ergebnis zu enden.

In den frühen 1990er Jahren "haben die Leute gedacht, dass Quantencomputing im Wesentlichen verrückt ist, und viele hatten [angeblich] bewiesen, dass es niemals funktionieren könnte", Jonathan Jones, Physikprofessor an der Universität von Oxford, der als einer der ersten Quantenalgorithmen verwendete auf einem echten Quantencomputer, erzählte ich. Die meisten Leute dachten, es sei nur eine Kuriosität, die von theoretischen Physikern geschaffen wurde, die sich fragten, ob sie das Universum selbst in der Sprache des Computers verstehen könnten. Es schien auch, dass die Feinheiten der Quantenmechanik - die Tatsache, dass ein leichtes Rütteln schnell zerbrechliche Qubits in Einzelzustands-Teilchen einschnappen könnte - es unmöglich machen würde, sie zu realisieren.

Zwei Meilensteine ​​brachen diese Ideen auf. Der Physiker Peter Shor stellte 1994 einen Algorithmus vor, der zeigte, dass ein Computer, der auf Qubits basiert, große Zahlen nahezu exponentiell schneller als die besten bitbasierten Algorithmen faktorisieren könnte. Wenn Wissenschaftler einen Quantencomputer erfinden könnten, der so weit fortgeschritten ist, dass er den Algorithmus ausführen kann, könnte er die gängigen modernen Verschlüsselungssysteme knacken, da klassische Computer zwei große Primzahlen leicht miteinander multiplizieren können Ergebnis in Primzahlen zurück. Der zweite Wendepunkt kam Mitte der 90er Jahre, als Physiker mit der Entwicklung von Fehlerkorrekturen anfingen - der Idee, die Informationen eines einzelnen Qubits über eine Reihe korrelierter Qubits zu verteilen, um die Fehler zu verringern.

Aber auch danach war das Feld klein, und die Physiker, mit denen wir gesprochen haben, besprachen Konferenzen, bei denen die meisten Quantencomputer der Welt in einen Raum passen könnten. Quantencomputing-Vorläufer wie Charlie Bennett, Isaac Chuang, Seth Lloyd und David DiVincenzo hatten viele neue Ideen, die sich schnell in der Community durchsetzten. Fast gleichzeitig erkannten mehrere unabhängige Gruppen, dass die medizinische und biochemische Industrie in der Forschung seit langem einen Quantencomputer verwendet hat - Nuclear Magnetic Resonance oder NMR-Spektrometer.

NMR, die Technologie hinter der MRI, besteht meistens aus einem Molekül von Interesse, das in einem flüssigen Lösungsmittel gelöst und in einem starken Magnetfeld angeordnet ist. Die Kerne der Atome in diesen Molekülen haben eine angeborene quantenmechanische Eigenschaft, die als "Spin" bezeichnet wird. Dies ist im Wesentlichen die kleinste Einheit der magnetischen Information. Sie kann sich in zwei Zuständen befinden: "Up" oder "Down". Diese Spins passen zu die Richtung des Feldes.

In der Medizin und in der Biochemie werden Wissenschaftler die Moleküle mit zusätzlichen kleineren oszillierenden Magnetfeldern (Radiofrequenzimpulsen) treffen, wodurch die Atome charakteristische Signale abgeben, die physikalische Informationen über das Molekül liefern. Magnetresonanztomographen oder MRI-Geräte verwenden dieses Signal stattdessen, um ein Bild zu erstellen. Die Physiker erkannten jedoch, dass sie bestimmte Moleküle in diesem Magnetfeld als Quantencomputer behandeln könnten, bei denen die Kerne als Qubits dienten, die Spinzustände Qubit-Werte und die Hochfrequenzimpulse beide waren die Anweisungen und Controller. Dies sind die Operationen von Quantencomputern, wie sie in klassischen Computern auch als Logikgatter bezeichnet werden.

"In gewissem Sinne war die NMR-Technik schon seit Jahrzehnten anderen Bereichen voraus", sagte der Biochemiker Jones, der zusammen mit dem Physiker Michele Mosca eine der ersten Quantenberechnungen durchführte. „Sie hatten schon in den 70er Jahren Logikgatter gemacht. Sie wussten einfach nicht, was sie taten, und nannten es keine logischen Gatter. “

Physiker, darunter Chuang, Gershenfeld und David Cory, veröffentlichten 1997 Papiere, in denen die Realisierung dieser Geräte beschrieben wurde. Ein Jahr später führten zwei Teams, eines mit Jones und Mosca und ein anderes mit Chuang und Mark Kubinic, die Quantenalgorithmen durch. Ersteres bestand aus Cytosinmolekülen, bei denen zwei Wasserstoffatome durch Deuteriumatome ersetzt worden waren - Wasserstoff mit einem Neutron. Letztere verwendeten Chloroformmoleküle. Sie bereiteten die Qubits in Ausgangszustände vor, führten eine Berechnung durch Anlegen eines speziell gestalteten Hochfrequenzimpulses durch und maßen die Endzustände.

„Sie hatten schon in den 70er Jahren Logikgatter gemacht. Sie wussten einfach nicht, was sie taten, und nannten es keine logischen Gatter. “

Wir hören heute nicht oft von NMR-Quantencomputern, da die Physiker schon damals wussten, dass die Technik ihre Grenzen hatte, was von allen Physikern, mit denen ich sprach, erwähnt wurde. Mehr Qubits würden mehr speziell gefertigte Moleküle bedeuten. Die Techniken stützten sich auf spezielle Problemumgehungen, so dass es jedes zusätzliche Qubit erschweren würde, das Signal aus dem Hintergrundrauschen herauszuholen.   "Niemand dachte, es würde jemals für mehr als eine Demonstration verwendet werden", sagte Jones. Sie waren nur nach wenigen Qubits nicht skalierbar.

Dennoch waren es wichtige Experimente, über die Physiker heute noch sprechen. NMR-Maschinen sind für die Biochemie nach wie vor von entscheidender Bedeutung und haben immer noch einen Platz in der Quantentechnologie. Diese frühen Arbeiten haben jedoch einen bedeutenden, indirekten Einfluss auf das Feld hinterlassen. Die Wissenschaft hinter diesen Hochfrequenzpulsen hat in den Quantencomputern gelebt, die Google, IBM und andere Unternehmen gebaut haben, um ihre Qubits zu kontrollieren. Quantencomputer, auf denen der Shor-Algorithmus läuft, sind bis heute noch Jahrzehnte entfernt, aber Unternehmen haben bereits begonnen, echte Geräte mit Dutzenden von Qubits zu präsentieren, die rudimentäre und eindeutig Quantenberechnungen durchführen können.

Charlie Bennet, IBM-Stipendiat und Quantencomputer-Veteran, erklärte, dass diese Experimente keine gewaltigen Entdeckungen für sich waren, und tatsächlich hatte die NMR-Community ihre eigenen Wissenschafts- und Radiofrequenzimpulse vorangetrieben, bevor das Quantencomputer eingesetzt wurde. Die Physiker, mit denen ich gesprochen habe, haben erklärt, dass niemand "gewonnen" hat und dass es Ende der 1990er Jahre kein "Rennen" gab. Stattdessen war dies ein Übergangspunkt auf einer Straße mit zunehmenden Fortschritten, ein Zeitpunkt, zu dem alle Wissenschaftlergruppen erkannten, dass der Mensch über die Technologie verfügte, Quantenzustände zu kontrollieren und sie für Berechnungen zu verwenden.

„Wissenschaft ist immer so. Das gesamte Beweismaterial ist wichtiger als fast alle anderen Papiere “, sagte Bennett. "Es gibt wichtige Entdeckungen - aber diese kommen selten in Einzelpapieren vor."

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