En nylig bølge av investeringer i kvantedatabehandling har gitt opphav til påstander om en kvantedataboble, basert på altfor optimistiske teknologiske påstander i et feltområde som eksperter sier ennå ikke har demonstrert noen reell nytteverdi. Men ledere i bransjens frontlinjer sier at kvantedatabehandling virkelig er en kommersielt levedyktig teknologi, om enn en som er minst flere år unna å overvinne ekstremt utfordrende tekniske hindringer.
Hele teknologiverdenen vil endre seg på bare noen få år hvis de mer optimistiske estimatene er riktige. Forskere regner med kvantedatabehandlings potensial for å løse svært komplekse problemer, som å knekke uknuselige koder og lage livreddende medisiner. Forrige måned, søkemotorselskapet Baidu rapportert den hadde utviklet en kvantedatamaskin, og sluttet seg til rekken av kvanteutviklere som Google, IBM og Intel. De siste årene har investorer strømmet penger inn i bransjen i en forrykende hastighet. I følge a McKinsey-rapportøkte finansieringen for oppstart av kvantedatabehandling til 1,4 milliarder dollar i fjor, opp fra 700 millioner dollar året før.
McKinsey-rapporten sier imidlertid også at momentumet kan avta, delvis fordi etterspørselen etter kvantedataeksperter overgår tilbudet av kvalifisert talent. Andre advarer om at industrien er det overhypet, og spådommer om at kvanteteknologi på kort sikt kan gi opphav til mer avanserte kvantedatamaskiner er uten grunnlag. Naysayers peker også på en papir publisert forrige måned der forskere brukte tradisjonelle databehandlingsmetoder for å utfordre Googles påstander om å nå kvanteoverlegenhet i 2019.
Quantum-innsidere sier at sannheten er en komplisert blanding av alle disse datapunktene. For det første kan publikums fokus på kappløpet om kvanteherredømme – å skape en datamaskin som kan utkonkurrere sine mindre avanserte motparter – gå glipp av poenget. “En overskrift som inkluderer en eller annen variant av ‘Quantum Supremacy Achieved’ er nesten uimotståelig å trykke, men den vil uunngåelig villede allmennheten,” skrev IBM-forskere i 2019. “Kvantedatamaskiner vil aldri regjere ‘overlegen’ over klassiske datamaskiner, men vil jobb heller sammen med dem, siden hver har sine unike styrker.»
IBMs nyeste veikart for utvikling spår at selskapet vil skalere sin kvanteteknologi til mer enn 1000 qubits og drifte parallelliserte kvanteprosessorer neste år. Året etter introduserer teknikker for undertrykkelse og avbøtende feil, som IBM sier legger grunnlaget for kvantefeilkorreksjon: en av hovednøklene til å låse opp kvantedatabehandlingens fulle potensial.
Å fokusere på en ankomstdato for kvantedatabehandling kan til og med være farlig, både med tanke på tapte forretningsmuligheter og potensielle sikkerhetstrusler. Michael Osborne, som leder sikkerhets- og personvernaktiviteter ved IBMs forskningssenter i Sveits, sier at publikum “ikke har råd til å risikere å ikke være klar” for kvantefremskritt.
“Du kan ikke vente til en slik maskin er her, du må forberede deg langt fremover for når disse tingene går videre,” sa Osborne. “For organisasjoner der kvantedatamaskiner kommer til å ha en innvirkning, enten det er bra eller dårlig, starter reisen nå fordi vi ikke kan forutsi når det kommer til å bli et stort gjennombrudd i visse former for hybridminne, som virkelig kommer til å fremme hvordan raskt er store maskiner tilgjengelig.»
Videre, sier disse lederne, vil det ta år for forskere å takle flere utfordringer som vil tillate kvanteteknologi å bli kommersielt levedyktig. Næringen har ennå ikke oppnådd konsensus på selv grunnleggende spørsmål om kvanteberegning, som hvilke materialer som er best egnet for kvantebrikker. Imec, for eksempel, er avhengig av silisium i sin CMOS-kompatible fabrikasjonsteknikk, som begrenser defekter som kan føre til at qubits taper energi. Forskere ved det amerikanske energidepartementet-tilknyttede Fermilab sier derimot at silisium reduserer levetiden til qubits gjennom en prosess kjent som kvantedekoherens, og dermed kan være mindre passende for kvantebrikker enn safir eller et annet materiale.
“Når du sammenligner den nåværende tilstanden til kvantedatabehandling med databehandlingen vi kjenner – med standard digital databehandling – sier folk veldig ofte at vi er omtrent på 1940-tallet, kanskje 1950-tallet av forrige århundre.” sa Sebastian Luber, seniordirektør for teknologi og innovasjon ved Infineon teknologier. “Utover proof of concept, utover de første eksemplene, er ikke dagens kvantedatamaskiner i stand til å gjøre noe nyttig, spesielt ikke noe som er relevant for industrien eller samfunnet. Det er fortsatt en lang vei å gå.»
Veien til nytte
I hjertet av mange av quantums tekniske utfordringer er qubits, informasjonsenheten i et kvantemekanisk datasystem. Det viktigste utviklingsarbeidet som ennå ikke er gjort innebærer å øke påliteligheten til qubitene og bevare deres kvanteegenskaper over lengre tid.
“Koherenstidene må forbedres betydelig for i det minste en del av qubitene,” sa Luber. “Vi trenger også mye flere av dem fordi vi for øyeblikket fortsatt er veldig begrenset. Vi har noen få dusin qubits, men vi trenger hundrevis, tusenvis eller kanskje enda flere.»
En annen kritisk utfordring er feilretting, som blir et større problem ettersom flere qubits plasseres sammen. «Etter noen få sykluser med regulering kan du ikke lenger skille resultatet fra ren støy. En vei ut av det er kvantefeilkorreksjon. Du binder mange fysiske qubits til logiske qubits som da er trygge,” sa han.
Produksjon av kvantedatamaskiner byr på et annet sett med problemer. “Disse systemene er svært utsatt for miljøet,” sa Luber. “Når du har endringer i miljøet, introduserer du støy for å forstyrre systemet. En måte å beskytte dem på er å kjøle dem ned. Det finnes også andre tilnærminger, og i fremtiden kan det være mulig å ha romtemperatur kvantedatamaskiner.”
Selv når vitenskapen til kvantedatabehandling er etablert, vil det være utfordringer som å gjøre industrien kjent med et datasystem som fungerer på en fundamentalt annen måte enn noen annen datamaskin i historien.
Eric Holland, forretningsutviklingssjef for Keysights Quantum Engineering Solutions Group, sa at kvantedatamaskiner ikke vil se ut som standard bærbare eller stasjonære datamaskiner som er så kjent for dagens forbrukere. “Utseendet deres varierer basert på kvanteteknologien. Imidlertid har alle kjente elementer for en RF-ingeniør – vilkårlige bølgeformgeneratorer, digitaliserere og digitale inngangs-/utgangskort. Det er mer eksotiske elementer, for eksempel kraftige synlige lasere eller kryogenikk. Likheten er nærmere en hybrid mellom en serverfarm og et vitenskapelig prosjekt.»
Å forbedre og overvåke kvantesystemer ser også annerledes ut. “Dette kan være fra forbedringer i materialstabelen, designforbedringer eller forbedringer gjennom kontroll og miljø,” sa Holland. «Å måle disse forbedringene er utfordrende ettersom en forbedring tilsvarer en nedgang i feil. Jo mindre feilen er, desto vanskeligere er det å måle den nøyaktig og til rett tid. I tillegg, siden alle operasjoner har en viss tilknyttet feil, er det utfordrende å representere systemfeilbudsjettet nøyaktig på en robust og pålitelig måte.»
Kasusstudie: GlobalFoundries og PsiQuantum
Å produsere kvantedatamaskiner er en helt annen sak, og en full av ukjente.
“Det er enten forbannelsen eller fordelen med jobben min,” sa Anthony Yu, visepresident for silisiumfotonikk-produktadministrasjon hos GlobalFoundries, om å utnytte tradisjonelle produksjonsmetoder og endre dem for bruk i kvantedatabehandling. I fjor, GlobalFoundries og partneren PsiQuantum annonsert de hadde begynt å produsere de grunnleggende komponentene til en fullskala kommersiell kvantedatamaskin ved å bruke silisiumfotoniske og elektroniske brikker. “Vi tror vi kan kontrollere fotonene og være i stand til å få dem til å oppføre seg med de klassiske kvanteegenskapene til sammenfiltring og superposisjon, og tillate at disse svært kompliserte algoritmene utføres på disse fotoniske qubitene,” sa Yu.
De tekniske ferdighetene som kreves av prosjektet er både betydelige og varierte. “Du må operere ved veldig kalde temperaturer – enten milli-kelvin, eller noen av kundene våre kan operere ved 4 Kelvin, som fortsatt er ganske kaldt,” sa Yu. “Du trenger også evnen til å utføre kontrollelektronikk, selv om du bruker kvantetilstander for å kunne utføre beregningene og bruke algoritmene. For det tredje trenger du veldig, veldig rask ledningsevne. For det fjerde, som er kunsten med alt dette, må du være i stand til å produsere disse qubitene. Det finnes forskjellige metoder for å gjøre dette – superledende teknologi, kvanteprikker.”
Som med enhver kvanteteknologi, kan selv den minste feil skape et ubrukelig produkt.
“Du må være forsiktig med å lage de perfekte qubits,” sa Yu. «For å nå disse kvanteberegningene, må delene i utgangspunktet være uforstyrret av miljøet. Du må gjøre generering av fotoner, manipulering av fotoner og deteksjon av fotoner – alt på en uforstyrret måte slik at du kan dra nytte av kvanteberegningsalgoritmene for å løse disse svært kompliserte problemene.”
Det er tegn til fremgang. “Vi kan faktisk kontrollere fotonene på brikken, og vi bruker den fotoniske teknologien som vi har i andre kommersielle områder for ting som datakommunikasjon og datasentre,” sa han. «Vi bruker de samme typene funksjoner, som filtre, detektorer, brytere og kontrollerer forsinkelsen til fotonene mens de reiser. Vi bruker de samme produksjonsteknikkene og de samme produksjonsstrukturene, men du gjør det ved veldig, veldig kalde temperaturer for å sikre at disse er perfekt kontrollerte fotoner.”
Samtidig må det være ekstremt lavt tap når fotonene beveger seg på brikken, men brikken der qubitene kontrolleres er ganske enkelt en silisiumbasert brikke produsert i samme type fabrikk. “Vi bruker andre materialer enn vi ville brukt i normal CMOS-behandling fordi vi håndterer disse fotonene på en helt annen måte.
“Vi bruker nedsenkingslitografi for å lage disse bølgelederne, som er dit fotonene beveger seg,” sa Yu. “Det gir dem ekstremt glatte sidevegger fordi det perfekte fotonet vil bli forstyrret når det sprer seg langs sidene av veggene til bølgelederne. Det er på en måte de samme metodene som brukes til å kontrollere det for våre logikkbrikker og fotonbrikker for datasentre.»
Mens andre deler av kvantedatabehandlingssystemet som kontrollelektronikk har en tendens til å bli produsert på svært små noder, sier Yu at kvantebrikkene ikke belaster Moores lov. “Vi gjør mange ting på 45nm, som mange ville vurdere å følge teknologi.”
Selvfølgelig overføres ikke alle silisiumbaserte metoder til feltet kvanteberegning, spesielt når det gjelder bølgeledertap eller enkeltfotondeteksjon. Yu sier at SPD krever at fotoner reiser langs et materiale som «må være nær superledende». Han ville ikke avsløre materialet selskapene brukte i dette trinnet av prosessen, men beskrev det som “nytt” og et som “vi aldri ville brukt i noen annen konvensjonell CMOS-teknologi.”
Konklusjon
Summen av alle disse teknikkene og prosessene er fortsatt lovende. “Mange mennesker i bransjen ser at verdens første nyttige kvantedatamaskin er tilgjengelig i tidsrammen 2027 til 2028,” sa Yu. «Jeg ser det skje. Ellers ville jeg ikke vært så investert i denne prosessen som jeg er.»