Skip to content
Home » In de race naar quantum computing staat North Carolina centraal

In de race naar quantum computing staat North Carolina centraal

    In de race naar quantum computing staat North Carolina centraal
    kwantumcomputers

    Krediet: Pixabay/CC0 publiek domein

    In de jaren vijftig waren computers omvangrijk, inefficiënt en beperkt. Ze aten hele kamers op, maar kwamen niet verder dan rudimentaire berekeningen.


    Zoals u weet, bleven deze machines niet eenvoudig; de computer van het midden van de 20e eeuw werd gemoderniseerd, gecomprimeerd en ging de wereld veranderen. Dit is het pad waarvan velen denken dat kwantumcomputers zich nu bevinden: elementair vandaag – transformatief morgen… nou, we zullen zien.

    De belofte van computers op basis van subatomaire fysica is verleidelijk. In theorie zouden problemen waarvoor klassieke computers jaren nodig zouden hebben om op te lossen, door kwantumcomputers in enkele minuten kunnen worden opgelost, waardoor de vooruitgang in financiën, scheikunde, kunstmatige intelligentie, logistiek, cyberbeveiliging en meer openbarsten.

    Met exponentieel verbeterde rekenkracht hebben wetenschappers misschien de tools om nieuwe medicijnen te ontdekken. Financiële ondernemingen zouden hun portefeuilles beter kunnen optimaliseren. Bedrijven zouden toeleveringsketens efficiënter routeren en meteorologen zouden nauwkeuriger worden. Hackers kunnen de kracht van kwantum gebruiken om wachtwoorden te omzeilen, maar bedrijven en landen kunnen dit tegengaan door kwantumcomputing in te zetten om hun cyberafweer te versterken.

    De mogelijkheden van wat quantum zou kunnen bereiken zijn enorm en moeilijk te lokaliseren. Onderzoekers weten niet wanneer een echte kwantumdoorbraak zal plaatsvinden, maar velen zeggen wel ‘wanneer’, niet ‘als’.

    “Quantum vordert sneller dan veel mensen verwachten”, zegt Eric Ghysels, hoogleraar financiën en economie aan de Universiteit van North Carolina-Chapel Hill. “Dit ding komt eraan, en je kunt maar beter voorbereid zijn.”

    Overheden, bedrijven en universiteiten over de hele wereld besteden veel geld om zich voor te bereiden op kwantum. En in de afgelopen jaren hebben de drie hoeken van de onderzoeksdriehoek van North Carolina – Duke University, North Carolina State University en UNC – elk een duidelijke bijdrage geleverd aan dit opkomende veld, waardoor de staat een legitieme kwantumhotspot is geworden.

    De kracht en het geluid

    In 2018 koos IBM de Centennial Campus van NC State uit als de locatie van zijn eerste IBM Quantum Hub in Noord-Amerika.

    Twee jaar later werkte Duke samen met het in Maryland gevestigde bedrijf IonQ om het Duke Quantum Center te openen in het Chesterfield-gebouw in het centrum van Durham. Volgens hun overeenkomst heeft IonQ de exclusieve rechten op het intellectuele eigendom dat het lab produceert, terwijl Duke aandelen in het openbare bedrijf heeft ontvangen.

    IBM en IonQ – en bij uitbreiding NC State en Duke – racen naar een gemeenschappelijk doel: het bereiken van wat bekend staat als ‘kwantumvoordeel’, het nog steeds ongrijpbare moment waarop een kwantumcomputer een echte taak beter kan uitvoeren dan een klassieke computer . (De term “kwantum suprematie” verwijst naar een moment waarop een kwantumcomputer iets bereikt wat een klassieke computer nooit zou kunnen bereiken.)

    Maar het najagen van kwantumvoordelen is waar overeenkomsten tussen de twee faciliteiten eindigen, zei Chris Monroe, medeoprichter van IonQ en de directeur van het Duke Quantum Center. “IBM’s aanpak en onze aanpak kunnen niet meer van elkaar verschillen,” zei hij.

    Om hun verschillen te begrijpen, helpt het om een ​​deel van de onderliggende wetenschap van kwantum te begrijpen.

    Quantumcomputers weerspiegelen de fysica van de subatomaire wereld om informatie te beheren. Terwijl klassieke computers draaien op bits die worden weergegeven door digitale enen en nullen, gebruiken kwantumcomputers kwantumbits, qubits genaamd, om microscopische toestanden op een veel complexere manier weer te geven.

    Een paar kwantummechanische verschijnselen maken deze machines exponentieel geavanceerder. De eerste wordt superpositie genoemd: de capaciteit van een qubit om op meerdere posities tegelijk te zijn totdat deze wordt gemeten. De tweede is verstrengeling, dat is hoe verschillende qubits met elkaar verweven zijn.

    Dit alles kan behoorlijk verwarrend zijn voor de leek, en zelfs voor andere wetenschappers, erkennen kwantumonderzoekers.

    “De wetten van de microscopische fysica zien er heel, heel anders uit dan wat jij en ik op een normale dag ervaren”, zegt Patrick Dreher, de hoofdwetenschapper bij de IBM Quantum Hub van NC State.

    In plaats van enkelvoudige antwoorden spuwen kwantumcomputers kansverdelingen uit. Ze zouden bijvoorbeeld niet zeggen 2 + 3 = 5, maar zouden antwoorden met een reeks van kansen die rond de 5 pieken. Dit is een van de redenen waarom onderzoekers zeggen dat kwantumcomputers digitale Macs of pc’s zullen vergroten, maar nooit volledig zullen vervangen. Kwantummachines kunnen enorme berekeningen aan, maar alledaagse taken zoals Microsoft Word, elementaire wiskunde en het streamen van video’s kunnen altijd het beste worden gediend door klassieke computers.

    Dus, wat weerhoudt kwantumcomputers ervan hun potentieel te bereiken? Er zijn verschillende hindernissen.

    Zoals je zou verwachten, is het subatomaire rijk moeilijk te beheersen. Atomen stuiteren van nature rond, wat verontreiniging kan veroorzaken die tot “luidruchtige” resultaten leidt. De microscopische interacties die computers moeten vastleggen, vinden ongelooflijk snel plaats, wat extreme precisie vereist, en wanneer er fouten optreden, kunnen pogingen om één qubit te corrigeren gemakkelijk andere qubits verstoren.

    “Het is een kwetsbare machine”, zei Dreher. “En omdat ze luidruchtig zijn, hebben ze een beperkt vermogen om voor altijd berekeningen te blijven doen.”

    Ondanks hun beperkingen zijn kwantumcomputers geëvolueerd van theorie tot tastbare, functionerende machines. Onderzoekers hebben dit huidige stadium het Noisy Intermediate-Scale Quantum of NISQ-tijdperk genoemd. Er zijn tegenwoordig verschillende middelgrote, luidruchtige computers, waarbij Dreher zegt dat niemand weet welke “de thuiswedstrijd” zal zijn.

    Lasers, atomen en gouden kroonluchters

    Van alle kwantumcomputers ter wereld zijn die van IBM waarschijnlijk de meest sierlijke. Bijgenaamd ‘kroonluchters’, zijn ze voorzien van vergulde apparaten met vijf niveaus met een geordende opeenvolging van buizen en draden die naar enkele siliciumprocessorchips lopen. Op de onderste sport koelt elke kroonluchter een supergeleidende chip.

    En met cool bedoelt IBM echt, echt ijskoud.

    Kwantumonderzoekers proberen subatomaire activiteit te beheersen door extreme omgevingen te creëren, en de kroonluchter doet dit met temperatuur. Op het laagste niveau is de temperatuur 0,01 graden Kelvin, waardoor het een van de koudste plekken in het universum is.

    IBM exploiteert meer dan 20 kwantumcomputers over de hele wereld, van de staat New York tot Japan, en ze bieden leden van hun kwantumnetwerk, zoals NC State, exclusieve toegang tot geavanceerde computers die in een metalen silo en achter een glazen kubus als een museum kunstwerk. Als lid van het IBM Quantum Network kunnen wetenschappers van NC State via de cloud op afstand experimenten uitvoeren op deze computers.

    Duke-studenten hebben daarentegen toegang tot een kwantumcomputer die ze kunnen aanraken. Het Duke Quantum Center bestudeert een type computer genaamd ion-trap, die individuele atomen laat zweven boven een vergulde siliciumchip in een luchtloos vacuüm. Lasers worden vervolgens op het atoom geschoten om de toestand van de qubits in het atoom te wijzigen en hun interactie te beïnvloeden. Chris Monroe vergeleek het proces van het kiezen van een gitaarsnaar.

    Het handjevol ion-trap computers in Chesterfield is esthetisch minder indrukwekkend dan de kroonluchter van IBM. Ze strekken zich uit als een overvolle stad – vacuümkamers, cameralenzen, modulatoren en lasers ingewikkeld ineengedoken. Monroe prijst deze machines aan als de meest geavanceerde ionenvallen ter wereld en gelooft dat IonQ-computers algemeen beschikbaar kunnen worden zodra de technische obstakels zijn overwonnen (kortom, het is erg moeilijk om atomen nauwkeurig te raken met lasers).

    “We stellen ons een toekomst voor waarin kwantumcomputers in de zakken van mensen zitten”, zei hij.

    UNC pakt fintech aan

    Terwijl NC State en Duke zich richten op kwantumonderzoek, is UNC een nationale leider op het gebied van kwantumtechnologieën in de financiële wereld.

    In mei 2020 startte de school met een van de eerste webinarseries van het land over het toepassen van kwantum op bedrijven. Om aan de groeiende vraag naar kwantum te voldoen, heeft de UNC Kenan-Flagler Business School haar curriculum aangepast om meer over kwantum op te nemen. “Er staat veel op het spel”, zegt Eric Ghysels. “Veel financiële instellingen realiseren zich dat ze beter nu kunnen beginnen, ook al is de wetenschap over een paar jaar nog niet bekend.”

    De financiële sector is goed gepositioneerd voor vroege kwantumtoepassingen. Ten eerste is het een analytische industrie waar nauwkeurige timing en prijsmodellering miljarden kan opleveren. Velen voorzien kwantumoptimaliserende portefeuilles en leveren ongekende accountbeveiliging. Ten tweede, met zoveel geld op het spel, doen bedrijven met diepe zakken aanzienlijke investeringen in het veld.

    In maart is Fidelity een samenwerking aangegaan met de hub van NC State, en IBM is zelf geïnteresseerd in het onderzoek dat de hub produceert voor financiële doeleinden. “In termen van fintech wordt de driehoek een aanzienlijke kracht”, zei Ghysels. “Bedrijven willen hier huren en zich hier vestigen.”

    De driehoek mist de concentratie van kwantumbedrijven die te zien zijn in steden als San Francisco, Boston en New York, maar er zijn tekenen dat de commerciële kant van kwantum lokaal ontluikt naarmate grotere bedrijven zoals Apple en Google de markt betreden.

    De Californische fabrikant van kwantumcomputers Atom Computing heeft onlangs zijn directiekantoor in Cary gevestigd, en startups zoals Dark Star Quantum Lab in Apex proberen een niche te vinden in kwantumadvies.

    “Het is logisch dat dit een goede plek is voor kwantum in termen van toepassingen”, zegt Dark Star-CEO Faisal Shah Khan.

    Khan merkte op dat de relatieve nabijheid van de Driehoek tot de financiële hoofdstad van New York City (dezelfde tijdzone, snelle vlucht weg) het een nog aantrekkelijkere plek maakt voor kwantum en fintech.

    ‘Het zal op een interessante manier mislukken’

    Dus wanneer zijn kwantumcomputers klaar?

    “Als ik dat wist, zou ik hier niet als professor zijn”, zei Patrick Dreher. “Ik zou op Wall Street zijn, of ik zou praten met (durfkapitalisten). Je vraagt ​​me in 1949: ‘Wanneer gaan we een digitale computer bouwen die geen vacuümbuizen heeft en een hele ruimte om het te laten werken?’ Dit is waarom mensen Nobelprijzen winnen.”

    In 2019 kondigde Google aan dat het kwantumsuperioriteit had bereikt op een gekunsteld wiskundig probleem, dat wil zeggen een probleem dat geen verband houdt met een echte situatie. IBM duwde de claim van Google terug en het debat over kwantumsuperioriteit blijft hangen.

    Quantumtechnologie blijft in een “pre-competitieve fase”, zegt Dennis Kekas, een associate vice-kanselier bij NC State’s Centennial Campus. Hiermee bedoelde Kekas dat bedrijven hun bevindingen over het algemeen nog steeds delen in dienst van wetenschappelijke vooruitgang. In de academische wereld organiseren UNC, Duke en NC State gedurende het schooljaar een wekelijkse Triangle Quantum Computing Seminar Series, waarbij experts van over de hele wereld worden uitgenodigd.

    In Chesterfield, Duke Ph.D. Studenten staan ​​in de frontlinie van kwantumonderzoek. Hun huidige laboratoriumwerk is erop gericht ion-trap computers met elkaar te laten communiceren, waarbij ze informatie delen tussen machines zoals klassieke computers dat nu kunnen. In de afgelopen jaren hebben ze collega’s naar banen zien gaan als quantum business consultants, verder gaan in de academische wereld, zich bij IonQ aansluiten of naar nationale laboratoria zoals Los Alamos worden gebracht.

    Gevraagd naar de toekomst van kwantum, herinnerden de perspectieven van de studenten eraan dat niemand zeker weet – zij niet, niet hun leraren, niet de bedrijven die hen zouden kunnen inhuren – of de kwantumdroom ooit zal worden gerealiseerd. Ze spraken over het in gedachten houden van de lange termijn en merkten op dat het kwantumvoordeel waarschijnlijk niet om de hoek ligt.

    Jameson O’Reilly, een vierdejaars Ph.D. student aan het lab, zei dat hij gelooft dat het kwantumvoordeel uiteindelijk zal worden bereikt, maar als dat niet zo is, zei hij dat het nog steeds de moeite waard was.

    “Ik denk dat als het niet gebeurt, het op een interessante manier zal mislukken”, zei hij. “Op een manier die ons meer begrip van het universum geeft.”


    Quantumcomputer werkt met meer dan nul en één


    2022 Het nieuws & waarnemer.
    Gedistribueerd bij Tribune Content Agency, LLC.

    citaten: In de race naar quantum computing staat North Carolina centraal (2022, 6 oktober), opgehaald op 6 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-quantum-north-carolina-center-stage.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.