I mer än 50 år har Moores lag har regerat högst. Observationen att antalet transistorer på ett datorchip fördubblas ungefär vartannat år har satt takten för vår moderna digitala revolution - att göra smartphones, persondatorer och nuvarande superdatorer möjliga. Men Moores lag saktar ner. Och även om det inte var det, några av de stora problemen som forskare måste ta itu med kan vara utom räckhåll för konventionella datorer.

Under de senaste åren har forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utforskat en drastiskt annorlunda beräkningsarkitektur baserad på kvantmekanik för att lösa några av vetenskapens svåraste problem. Med Laboratory Directed Research and Development (LDRD) -finansiering, de har utvecklat kvantkemi och optimeringsalgoritmer, samt prototyp superledande kvantprocessorer. Nyligen, de bevisade livskraften i deras arbete genom att använda dessa algoritmer på en kvantprocessor som innehåller två supraledande transmonkvantbitar för att framgångsrikt lösa det kemiska problemet med att beräkna hela energispektrumet för en vätemolekyl.

Nu, två forskargrupper som leds av personal från Berkeley Lab kommer att få finansiering från Department of Energy (DOE) för att bygga vidare på detta momentum. Ett team får 1,5 miljoner dollar under tre år för att utveckla nya algoritmer, sammanställa tekniker och schemaläggningsverktyg som gör det möjligt att använda kortsiktiga kvantdatorplattformar för vetenskaplig upptäckt inom kemiska vetenskaper. Det andra teamet kommer att arbeta nära dessa forskare för att designa prototyper med fyra och åtta qubit processorer för att beräkna dessa nya algoritmer. Detta projekt kommer att pågå i fem år och forskarna kommer att få 1,5 miljoner dollar för sitt första arbetsår. Vid år fem, hårdvaruteamet hoppas kunna demonstrera en 64-qubit processor med full kontroll.

"Någon dag, universella kvantdatorer kommer att kunna lösa ett stort antal problem, från molekylär design till maskininlärning och cybersäkerhet, men vi är långt ifrån det. Så, frågan vi just nu ställer är om det finns specifika problem som vi kan lösa med mer specialiserade kvantdatorer, "säger Irfan Siddiqi, Berkeley Lab Scientist och grundande chef för Center for Quantum Coherent Science vid UC Berkeley.

Enligt Siddiqi, dagens kvant koherenta beräkningsteknologier har de nödvändiga sammanhållningstiderna, logiska driftstrohetar och kretstopologier för att utföra specialiserade beräkningar för grundforskning inom områden som molekylär och materialvetenskap, numerisk optimering och hög energifysik. Mot bakgrund av dessa framsteg, han konstaterar att det är dags för DOE att utforska hur denna teknik kan integreras i högpresterande datorsamhälle. På dessa nya projekt, Berkeley Lab-teamen kommer att arbeta med samarbetspartners inom industrin och akademin för att bygga vidare på dessa framsteg och ta itu med svåra DOE-mission vetenskapliga problem som beräkning av molekylär systemdynamik och kvantmaskininlärning.

"Vi är i de tidiga stadierna av kvantberäkning, ungefär som där vi var med konventionell databehandling på 1940 -talet. Vi har en del av hårdvaran, nu måste vi utveckla en robust uppsättning programvara, algoritmer och verktyg för att optimalt utnyttja det för att lösa riktigt hårda vetenskapsproblem, "säger Bert de Jong, som leder Computational Chemistry, Material- och klimatgrupp i Berkeley Labs avdelning för beräkningsforskning (CRD).

Han kommer att leda ett DOE Quantum Algorithms Team bestående av forskare från Berkeley Lab, Harvard, Argonne National Lab och UC Berkeley fokuserade på "Quantum Algorithms, Matematik- och sammanställningsverktyg för kemiska vetenskaper. "

"Berkeley Labs tradition av teamvetenskap, liksom dess närhet till UC Berkeley och Silicon Valley, gör det till en idealisk plats att arbeta med kvantberäkning från ände till ände, "säger Jonathan Carter, Biträdande direktör för Berkeley Lab Computing Sciences. "Vi har fysiker och kemister på labbet som studerar den grundläggande vetenskapen om kvantmekanik, ingenjörer för att designa och tillverka kvantprocessorer, samt datavetenskapare och matematiker för att säkerställa att hårdvaran effektivt kommer att kunna beräkna DOE -vetenskap. "

Carter, Siddiqi och Lawrence Livermore National Laboratory Jonathan DuBois kommer att leda DOE:s Advanced Quantum-Enabled Simulation (AQuES) testbäddsprojekt.

Utmaning om kvant koherens

Nyckeln till att bygga kvantdatorer som löser vetenskapliga problem utanför konventionella dators räckvidd är "kvantkoherens". Detta fenomen tillåter i huvudsak kvantsystem att lagra mycket mer information per bit än i traditionella datorer.

I en vanlig dator, kretsarna i en processor omfattar miljarder transistorer - små switchar som aktiveras av elektroniska signaler. Siffrorna 1 och 0 används i binär för att återspegla till och från -tillstånden för en transistor. Detta är i huvudsak hur information lagras och behandlas. När programmerare skriver datorkod, en översättare omvandlar den till binära instruktioner - 1s och 0s - som en processor kan köra.

Till skillnad från en traditionell bit, en kvantbit (qubit) kan anta något kontraintuitiva kvantmekaniska egenskaper som trassel och superposition. Kvantinvikling uppstår när par eller grupper av partiklar interagerar på ett sådant sätt att tillståndet för varje partikel inte kan beskrivas individuellt; i stället måste staten beskrivas för systemet som helhet. Med andra ord, intrasslade partiklar fungerar som en enhet. Superposition uppstår när en partikel existerar i en kombination av två kvanttillstånd samtidigt.

Så medan en konventionell datorbit kodar information som antingen 0 eller 1, en qubit kan vara 0, 1 eller en superposition av tillstånd (både 0 och 1 samtidigt). En qubits förmåga att existera i flera tillstånd innebär att den kan, till exempel, möjliggöra beräkning av material och kemiska egenskaper betydligt snabbare än traditionella datorer. Och om dessa qubits kunde länkas eller intrasslas i en kvantdator, problem som inte kan lösas idag med konventionella datorer skulle kunna hanteras.

Men att få qubits till detta tillstånd av kvant koherens, där de kan dra nytta av kvantmekaniska egenskaper och sedan dra nytta av dem när de är i detta tillstånd är fortfarande en utmaning.

"Quantum computing är som att spela schack där bitarna och brädet är gjorda av is. När spelarna blandas runt bitarna, komponenterna smälter, och ju fler drag du gör, ju snabbare spelet kommer att smälta, "säger Carter." Qubits förlorar sammanhang på riktigt kort tid, så det är upp till oss att räkna ut den mest användbara uppsättningen drag vi kan göra. "

Carter noterar att Berkeley Lab-metoden för att designa kvantprocessorerna i nära samarbete med forskarna som utvecklar kvantalgoritmer, att sammanställa tekniker och schemaläggningsverktyg kommer att vara extremt användbart för att svara på denna fråga.

"Beräkningsmetoder är vanliga i de flesta vetenskapliga projekt vid Berkeley Lab. Eftersom Moores lag saktar ner, nya datorarkitekturer, systemet, och tekniker har blivit ett prioriterat initiativ på Berkeley Lab, säger Horst Simon, Berkeley Labs biträdande direktör. "Vi insåg tidigt hur kvantsimulering kunde ge ett effektivt tillvägagångssätt för några av de mest utmanande beräkningsproblemen inom vetenskap, och jag är glad att se erkännande av vårt LDRD -initiativ genom denna första direkta finansiering. Kvantinformationsvetenskap kommer att bli en allt viktigare del av vårt forskningsföretag inom många discipliner. "

Eftersom detta fält fortfarande är i sina tidiga dagar, det finns många metoder för att bygga en kvantdator. De Berkeley Lab-ledda teamen kommer att undersöka superledande kvantdatorer.

För att designa och tillverka nästa generation kvantprocessorer, AQuES -teamet kommer att utnyttja den superledande kretsanläggningen i UC Berkeleys Quantum Nanoelectronics Laboratory samtidigt som forskarnas expertis inom Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics införlivas, Avdelningar för materialvetenskap och teknik. Forskargrupperna kommer också att använda de unika möjligheterna hos två DOE -anläggningar; Molecular Foundry and National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), båda belägna på Berkeley Lab.