Ta flyg med Heron och Condor: De senaste framstegen inom kvantdatorer

IBM har just annonserat det senaste genombrottet i sin mission att göra kommersialiserade och praktiska kvantdatorer till verklighet – en processor med över 1 000 qubits som kallas ‘Condor’ och en felkorrigeringsfokuserad processor som kallas ‘Heron’.

Kvantdatorer representerar ett nytt tillvägagångssätt för maskinbaserad beräkning. Genom att använda qubits som kan vara i superposition och sammanflätning har kvantdatorer potential att utföra snabbare och mer komplexa beräkningar än de klassiska bitarna som används i traditionella datorer. Till skillnad från traditionell databehandling, där bitar representerar antingen 0 eller 1, kan qubits i kvantdatorer representera båda tillstånden samtidigt. Viktigt är att detta gör kvantdatorer kompletterande till klassisk databehandling snarare än en ersättning; de utmärker sig i uppgifter som molekylära simuleringar och systemoptimeringar, medan klassisk databehandling är bättre lämpad för vardagliga uppgifter.

Det är på grund av de typer av uppgifter som kvantdatorer bör briljera i som teknologin hyllas så mycket. En dator som kan utföra komplexa beräkningar flera storleksordningar snabbare än sina traditionella motsvarigheter är värd att utveckla, eftersom dess användningsområden har potential att förändra världen och vår förståelse av den.

IBM:s Heron och Condor

Med sitt tillkännagivande har IBM gjort betydande framsteg inom kvantdatorer genom att lansera två avancerade kvantprocessorer: Heron och Condor.

Heron-processorn, som finns i det kvantsystemet ibm_torino, representerar ett steg framåt med sina 133 fasta frekvens‑qubits och justerbara kopplare, vilket ger en 3‑5‑gånger förbättring i prestanda jämfört med de tidigare 127‑qubits‑Eagle‑processorerna. Denna förbättring eliminerar i praktiken ‘cross‑talk’ (oönskad interaktion eller störning mellan qubits) och lägger grunden för framtida hårdvaruutveckling. Noterbart är att IBM redan använder dessa chip i sin ‘modular‑architecture’ Quantum System Two‑plattform.

Å andra sidan är Condor-processorn, en kvantprocessor med 1 121 supraledande qubits, en lika anmärkningsvärd innovation. Den ökar qubit‑densiteten med 50 %, införlivas framsteg inom qubit‑tillverkning och integrerar över en mil högdensitets‑kryogen ledning i ett enda utspädningskylskåp (ett verktyg som används för att uppnå extremt låga temperaturer, vanligtvis nära den absoluta nollpunkten). Condors prestanda är jämförbar med företagets tidigare 433‑qubits‑Osprey‑processor, vilket markerar en betydande milstolpe i skalning och ger insikter för framtida hårdvarudesign inom kvantdatorer.

Dessa utvecklingar från IBM är avgörande för att driva gränserna för kvantnytta framåt och för att gå mot kvantcentrerad superdatoranvändning.

Tillämpningar och begränsningar

Som tidigare nämnts hyllas kvantdatorer på grund av deras potential att kraftigt förbättra vår förståelse av i stort sett alla vetenskapsområden. Följande är bara några exempel på detta.

Medicin: Inom medicin kan kvantdatorer revolutionera läkemedelsupptäckt genom att simulera molekylers beteende på kvantnivå. Detta möjliggör mer exakta förutsägelser om hur potentiella läkemedel kan interagera med den mänskliga kroppen, vilket påskyndar utvecklingen av nya mediciner och minskar kostnaderna.

Meteorologi: För meteorologi kan kvantdatorer analysera enorma mängder väderdata mer effektivt än klassiska datorer. Detta skulle leda till mer exakta väderprognoser och bättre förståelse av klimatförändringar, vilket hjälper till att mildra naturkatastrofer och planera jordbrukstrategier.

Komplex problemlösning: Kvantdatorer kan ta itu med problem som för närvarande är olösliga för klassiska datorer, såsom optimering av stora system för logistik och leveranskedjor, eller lösa invecklade matematiska problem. Detta har breda implikationer för olika sektorer, inklusive transport, energi och finans.

Det är också viktigt att inse att vi inte kan veta det vi inte kan föreställa oss. Det betyder att det kommer att finnas ett stort antal oväntade framsteg som blir möjliga genom de förmågor som teknologin en dag kan erbjuda.

“Kvantdatorer är framtiden för databehandling. De kommer att öppna nya möjligheter för vetenskaplig upptäckt och teknologisk utveckling som vi inte ens kan föreställa oss idag.” – Arvind Krishna, Chairman and CEO of IBM, in an interview with CNBC

Eftersom kvantdatorer representerar en så monumental teknologisk prestation bör det inte förvåna att det har funnits, och fortfarande finns, betydande hinder och begränsningar som måste övervinnas med tiden. Till exempel står kvantdatorer för närvarande inför utmaningar inom felkorrigering, skalbarhet och utveckling av praktiska algoritmer.

Med tiden kommer det utan tvekan att uppstå andra hinder som dyker upp, vilka tidigare var oväntade på grund av en rudimentär men växande förståelse av kvantmekanik. Den komplexitet och potential som kvantfysik har betonades i följande citat.

“Om du tror att du förstår kvantmekanik, förstår du inte kvantmekanik.” – Richard Feynman, Nobel laureate in Physics

I dagsläget innebär dessa begränsningar att kvantdatorer ännu inte är redo för bred användning. Med de senaste framstegen pekar optimistiska tidslinjer på ytterligare ett decennium innan detta blir verklighet.

Utbildning: den framtida arbetskraften inom kvantdatorer

Under de senaste decennierna verkade kvantdatorer vara så avlägset i framtiden att kurser som undervisade dem var få och långt emellan. Nu när en framtid där de faktiskt används börjar komma i fokus, ökar behovet av att utbilda nästa generation av forskare och ingenjörer som kommer att ansvara för att fortsätta denna utveckling. Som ett resultat erbjuder många universitet nu specialiserade kurser och program inom kvantdatorer för att förbereda en kompetent arbetskraft för detta framväxande område.

• The Institute for Quantum Computing at the University of Waterloo är ett anmärkningsvärt exempel, som kombinerar akademisk forskning med en drivkraft att kommersialisera teknik. Finansierat av Mike Lazaridis, skaparen av BlackBerry , sysselsätter det cirka 296 forskare och har publicerat över 1 500 forskningsartiklar.
• University of Oxford har en lång historia inom kvantdatorer, med betydande bidrag till området, inklusive den första fungerande rena tillståndets NMR‑kvantdatorn.
• Harvard University’s Harvard Quantum Initiative fokuserar på att främja vetenskapen och ingenjörskonsten bakom kvantdatorer och deras tillämpningar, och förbereder för det som de kallar den “andra kvantrevolutionen”.
• MIT’s Center for Theoretical Physics fördjupar sig i kvantinformation och kvantdatorer, utforskar kvantalgoritmer, kvantinformationsteori och den experimentella realiseringen av kvantdatorer.
• National University of Singapore and Nanyang Technological University’s Centre for Quantum Technologies och University of California Berkeley’s Center for Quantum Information and Computation är också pionjärer inom utbildning i kvantdatorer, med fokus på forskning och utveckling av kvantenheter.
• University of Maryland’s Joint Quantum Institute samarbetar med stora institutioner som NIST och LPS och genomför omfattande forskningsprogram dedikerade till att kontrollera och utnyttja kvantsystem.

Branschaktörer som driver kvantdatorutvecklingen

Medan de ovan nämnda skolorna kan utbilda nästa generation av kvantdatorspecialister, är följande företag för närvarande de som banar vägen mot denna framtid.

1.  International Business Machines Corporation

IBM Prisdiagram

IBM har länge varit en ledare inom utvecklingen av kvantdatorer. Företaget syftar till att demokratisera utvecklingen av kvantdatorer genom initiativ som Qiskit Patterns. IBM har också utökat sin färdplan för att uppnå storskalig, praktisk kvantdator, med fokus på nya modulära arkitekturer och nätverk som kan möjliggöra kvantsystem med hundratusentals qubits, vilket är avgörande för praktiska kvantapplikationer.

2.  Microsoft Corporation

MSFT Prisdiagram

Microsofts insatser inom kvantdatorer är centrerade kring molnintegration och samarbete. Företaget har introducerat kvantmaskiner med den högsta kvantvolymen i branschen till Azure Quantum, inklusive partnerskap med IonQ, Pasqal, Quantinuum, QCI och Rigetti. Denna integration underlättar experimentering och är ett steg mot skalad kvantdatoranvändning. Microsoft (MSFT ) betonar vikten av ett globalt ekosystem för att realisera kvantdatorns fulla potential och planerar att leverera sin kvantmaskin som en molntjänst via Azure, vilket säkerställer säker och ansvarsfull användning av denna framväxande teknik.

3.  Alphabet Inc.

GOOGL Prisdiagram

Alphabet (GOOG ), genom sitt Google Quantum AI‑laboratorium, har gjort betydande framsteg inom kvantdatorer. År 2023 meddelade Googles forskare ett stort genombrott i att minska felräntan i kvantdatorer, en långvarig utmaning inom området. Deras forskning, publicerad i tidskriften Nature, beskriver ett system som kan minska felräntan avsevärt och implementera felkorrigeringskoder som kan upptäcka och åtgärda fel utan att kompromissa informationen. Tidigare, år 2019, påstod Google att de uppnått ”kvantsuperioritet” med sin Sycamore‑maskin, som utförde en beräkning på 200 sekunder som skulle ha tagit en konventionell superdator 10 000 år, vilket demonstrerade kvantdatorns potential att lösa komplexa problem långt bortom traditionell datorkraft.

Slutsats

Kvantdatorer representerar ett banbrytande språng i datavärlden och erbjuder potential att revolutionera en mängd olika områden. Medan IBMs senaste framsteg med Heron- och Condor‑kvantprocessorerna markerar betydande framsteg mot praktisk kvantdator, fortsätter teknologin att möta stora utmaningar inom felkorrigering, skalbarhet och algoritmutveckling – vilket understryker behovet av fortsatt forskning och innovation.

Även om dessa utmaningar kvarstår, har kvantdatorer löftet att låsa upp möjligheter som vi inte ens kan föreställa oss idag, och inleda en ny era av vetenskaplig upptäckt och teknologisk utveckling. Dess fulla potential utvecklas fortfarande, och dess påverkan på olika industrier och samhället lovar att bli djupgående.