Kina søker et kvantesprang innen databehandling

Fremskrittet følger lignende gjort de siste årene av

Internasjonale forretningsmaskiner Corp.

,

Alfabet Inc. sine

Google og andre selskaper i USA, som blir sett på som verdensledende innen kvantedatabehandling.

Baidu sa at den nye datamaskinen – en samling av metallplater og ledninger som ser litt ut som en overdimensjonert lysekrone – er tilgjengelig gratis via en nettside og mobilapp til forskere, ingeniører og til og med skolebarn. amerikanske selskaper, inkludert IBM og Googletilbyr også nettsteder for å få tilgang til deres kvantedatamaskiner.

“Det vil fungere som en base for folk å lære mer om teknologien,” sier Yvonne Gao, en assisterende professor ved National University of Singapores senter for kvanteteknologier, om Qian Shi, navnet på den nye datamaskinen, som betyr “himmelen” er opprinnelsen til alt» på mandarin-kinesisk. “Det er definitivt nyttig for å øke innovasjonen i denne retningen.”

Hvorvidt kvantedataenheter til slutt vil flytte fra laboratoriet til utbredt kommersiell bruk er fortsatt en debatt i vitenskapsmiljøet. Men matematiske bevis tyder på at fullt realiserte kvantedatamaskiner ville være i stand til å løse på sekunder visse problemer som ville ta selv de raskeste superdatamaskinene tusenvis eller millioner av år.

Kvantedatamaskiner henter sin ekstraordinære hastighet fra bruken av såkalte kvantebiter, eller qubits, i stedet for de digitale nullene og enerne som brukes til å representere data i konvensjonelle datamaskiner.

Bits, som disse nullene og enerne er kjent, kan bare ha en enkelt verdi. Men qubits – som er kodet inn i subatomære og atomære partikler inkludert elektroner, fotoner og ioner – kan eksistere som en null og en en på samme tid. Dette fenomenet, kjent som superposisjon, gjør qubits svært effektive til å håndtere visse beregninger, for eksempel de som kreves for å simulere den fysiske verden eller optimalisere forretningsprosesser.

Qubits er også spesielle for deres evne til å gå inn i kvanteforviklinger, noe som betyr at to partikler, på avstand, vil speile hverandres atferd som om de er koblet sammen. En slik funksjon kan utnyttes til å koordinere beregningen. På onsdag tre fysikere som bekreftet eksistensen av dette fenomenet mottok Nobelprisen i fysikk.

Å finne ut hvordan man kontrollerer disse egenskapene har vist seg å være en stor utfordring. Programmering av qubits til de riktige tilstandene krever et oppsett som gjør det mulig å samhandle med dem. Men å holde dem i disse tilstandene lenge nok til å utføre beregninger krever akkurat det motsatte: å fullstendig isolere dem fra andre partikler som kan få qubitene til å miste den kodede informasjonen.

“Det er det store ingeniørparadokset,” sier Steven Girvin, professor i fysikk ved Yale University.

Hvis forskere lykkes, kan kvantedatamaskiner gjøre det mulig for batteriprodusenter å forutsi komplekse kjemiske reaksjoner for å designe enheter med høyere ytelse. På samme måte kan datamaskinene fremskynde utviklingen av nye medisiner ved å hjelpe legemiddelprodusenter med å simulere proteinfolding, den intrikate prosessen som disse store biologiske molekylene antar sin form.

Kvantedatamaskiner kan også være i stand til å beseire standardformen for kryptering som brukes til å sikre kommunikasjon over hele verden – en sak av stor bekymring for finansinstitusjoner så vel som regjeringer som er ivrige etter å holde på etterretnings- og militærhemmeligheter.

Kvantefysikere sier at det er denne bekymringsfulle muligheten – og frykten for å bli etterlatt – som har drevet massiv statlig interesse og investeringer i teknologien globalt.

USA, Tyskland, Frankrike og India er blant landene som hver har forpliktet seg til over 1 milliard dollar i statlig finansiering som skal brukes på kvanteteknologiforskning i løpet av de neste årene. Beijing frigir ikke tall på sine planlagte investeringer, men kinesiske medieoppslag og amerikanske politiske forskningsgrupper, inkludert Santa Monica, California-baserte tenketanken Rand Corp. og McKinsey, har forpliktet seg over en tilsvarende periode til mellom $1 milliard og mer enn 15 milliarder dollar.

Sammenlignet med USA var Kina en senkommer til kvanteberegning. Den søkte først å dominere et relatert felt kjent som kvantekommunikasjon, som tar sikte på å utvikle en krypteringsmetode som er nesten umulig å hacke. Kinas teknologipolitiske eksperter sier at det første fokuset sannsynligvis kom som svar på avsløringene i 2013 av den tidligere amerikanske regjeringen Edward Snowden om at Washington hadde hacket seg dypt inn i ryggraden på Kinas internett.

Siden han sprang videre i sin søken etter å bygge et hacksikkert internett, har Beijings oppmerksomhetsskifte til kvanteberegning vært tydelig i det økende antallet forskningsprosjekter og gjennombrudd fra kinesiske forskere. Arbeidet har ført til et spirende antall kommersielle satsinger. Baidu stolte på innovasjoner fra kinesiske universiteter for å bygge datamaskinen sin, sier Runyao Duan, direktøren for Baidus institutt for kvanteberegning.

USA leder fortsatt på feltet, ifølge en analyse fra 2022 av vitenskapelige artikler fra Rand Corp. Og Washington har allerede forsøkt å bremse Kinas fremgang. I fjor forbød det amerikanske handelsdepartementet eksport av høyteknologisk utstyr til åtte kinesiske selskaper og laboratorier som mistenkes for å støtte Kinas innsats for å bygge kvantebaserte militære applikasjoner. Bredere eksportkontroller av utstyr for å lage avanserte silisiumbrikker har også påvirket kvantedatamaskiner, som noen ganger bruker silisiumbrikker som er avhengige av de samme fabrikasjonsteknologiene.

I mellomtiden sier amerikanske akademikere at det har blitt vanskeligere for kinesiske studenter å få visum for å utføre kvanteforskning i USA “Det har blitt allment kjent at når kinesiske studenter eller postdoktorer kommer til USA, kan de ikke si at de driver med kvantedatabehandling.” sier Scott Aaronson, direktør for Quantum Information Center ved University of Texas, Austin.

Utenriksdepartementet svarte ikke på spørsmål om visumutstedelsespolitikken, men sa at det anså mobiliteten til internasjonale studenter og forskere som en prioritet. “Vi ønsker studenter og lærde velkommen fra land rundt om i verden, inkludert Folkerepublikken Kina,” sa en talsperson.

På konferansen i Beijing hvor Qian Shi ble avduket, beklaget Yu Dapeng, dekan ved Shenzhens Institute for Quantum Science and Engineering, de USA-pålagte hindringene samt interne utfordringer Kinas fortsatte kvanteutvikling står overfor. “Det er mange mennesker engasjert i kvante, men det er sjelden å se dem ha sin egen unike innovasjon eller konkurransedyktig teknologi,” sa Dr. Yu.

Eksperter ved Rand Corp. og andre steder sier at Kinas fremskritt innen kvanteberegning har vært til fordel for feltet globalt, og legger til at flere restriksjoner vil bremse tempoet i vitenskapelig fremgang. Halvparten av alle publiserte artikler om kvanteforskning er et resultat av internasjonale samarbeid, og amerikanske forskere er medforfatter av flere kvanteartikler med forskere fra Kina enn noe annet land, fant Rand Corp.-analysen.

Det gjenstår mye forskning før kvantedatamaskiner når sitt fulle potensial. Forskere anslår at å bygge en kvantedatamaskin som er kraftig nok til å overvinne eksisterende datakrypteringsprotokoller, vil kreve millioner av qubits – en milepæl som de sier sannsynligvis er et tiår eller mer unna. IBM, bransjelederen i dag, har laget en kvantedatamaskin med 127 qubits. Baidu sier at Qian Shi har 10 qubits og selskapet planlegger å gi ut en 32-qubit datamaskin neste år.

Forskere over hele verden leter nå etter måter å bygge mer sofistikerte kvantedatamaskiner, inkludert å prøve ut forskjellige partikler som qubits og bruke forskjellige metoder for å kontrollere dem. Dagens mest populære kvantedatamaskindesign – den typen som utvikles av IBM, Google, Rigetti og nå Baidu – er avhengig av en enhet som kjøler ned en databrikke til ultralave temperaturer, og lokker elektronene til en kvantetilstand.

Bedrifter ser også etter midlertidige kommersielle applikasjoner, som å forbedre finansiell aktivastyring eller koordinering av fraktruter, som kan være mulig med bare hundrevis eller tusenvis av qubits, som kvantefysikere er mer sikre på vil komme om noen år.

Skriv til Karen Hao på [email protected]