Saker och ting börjar bli verkliga för forskare i UC Santa Barbara John Martinis/Google-gruppen. De håller på med sina avsikter att förklara överlägsenhet i ett hårt globalt lopp om att bygga den första kvantmaskinen som överträffar världens bästa klassiska superdatorer.

Men vad är kvantöverlägsenhet på ett område där horisonter vidgas regelbundet, i vilka team av de ljusaste kvantberäkningssinne i världen rutinmässigt ökar ante om antalet och typen av kvantbitar ("qubits") de kan bygga, alla med sina egna kvaliteter?

"Låt oss definiera det, för det är lite oklart, " sa Google-forskaren Charles Neill. Enkelt uttryckt, han fortsatte, "vi skulle vilja utföra en algoritm eller beräkning som inte skulle kunna göras annars. Det är vad vi faktiskt menar."

Neill är huvudförfattare till gruppens nya tidning, "En plan för att demonstrera kvantöverlägsenhet med supraledande qubits, "nu publicerad i tidningen Vetenskap .

Lyckligtvis, naturen erbjuder många sådana komplexa situationer, där variablerna är så många och beroende av varandra att klassiska datorer inte kan hålla alla värden och utföra operationerna. Tänk på kemiska reaktioner, vätskeinteraktioner, även kvantfasförändringar i fasta ämnen och en mängd andra problem som har skrämt forskare tidigare. Något i storleksordningen minst 49 qubits - ungefär motsvarande en petabyte (en miljon gigabyte) klassiskt slumpmässigt åtkomstminne - skulle kunna sätta en kvantdator på lika fot som världens superdatorer. Nyligen, Neills Google/Martinis-kollegor tillkännagav en strävan mot kvantöverlägsenhet med ett 72-qubit-chip som innehar en "bristlecone" -arkitektur som ännu inte har tagits igenom.

Men enligt Neill, det är mer än antalet qubits till hands.

"Du måste generera någon form av evolution i systemet som leder till att du använder varje stat som har ett namn associerat med det, "sa han. Kraften i kvantberäkningen ligger i, bland annat, överlagringen av stater. I klassiska datorer, varje bit kan existera i ett av två tillstånd - noll eller ett, av eller på, sant eller falskt – men qubits kan existera i ett tredje tillstånd som är en överlagring av både noll och ett, höja exponentiellt antalet möjliga tillstånd som ett kvantsystem kan utforska.

Dessutom, säger forskarna, trohet är viktigt, eftersom massiv processorkraft inte är mycket värd om den inte är korrekt. Dekoherens är en stor utmaning för alla som bygger en kvantdator - stör systemet, informationen ändras. Vänta några hundradelar av en sekund för länge, informationen ändras igen.

"Människor kan bygga 50 qubit-system, men du måste fråga hur väl den beräknade det du ville att den skulle beräkna, ”Sa Neill.” Det är en kritisk fråga. Det är den svåraste delen av fältet. "Experiment med deras supraledande qubits har visat en felprocent på en procent per qubit med tre- och nio-qubit-system, som, de säger, kan minskas när de skala upp, via förbättringar av hårdvara, kalibrering, material, arkitektur och maskininlärning.

Att bygga ett qubit -system komplett med felkorrigeringskomponenter - forskarna uppskattar ett intervall på 100, 000 till en miljon qubits - är genomförbart och en del av planen. Och fortfarande år kvar. Men det betyder inte att deras system inte redan kan göra några tunga lyft. Nyligen distribuerades den, med spektroskopi, om frågan om lokalisering av många kroppar i en kvantfasförändring-en kvantdator som löser ett kvantstatistiskt mekaniskt problem. I det experimentet, nio-qubit-systemet blev en kvantsimulator, använder fotoner som studsar runt i sin array för att kartlägga elektronernas utveckling i ett system med ökande, men ändå mycket kontrollerad, oordning.

"En bra anledning till att vår trohet var så hög är för att vi kan nå komplexa tillstånd på väldigt kort tid, ", förklarade Neill. Ju snabbare ett system kan utforska alla möjliga tillstånd, desto bättre förutsägelser om hur ett system kommer att utvecklas, han sa.

Om allt går smidigt, världen borde snart se en praktisk UCSB/Google -kvantdator. Forskarna är angelägna om att klara det, få svar på frågor som en gång var tillgängliga endast genom teori, extrapolering och högutbildad gissning - och öppnar upp en helt ny nivå av experiment och forskning.

"Det är definitivt väldigt spännande, " sa Google-forskaren Pedram Roushan, som ledde mångkroppssimuleringsarbetet som publicerades i Vetenskap 2017. De förväntar sig att deras tidiga arbete kommer att stanna nära hemmet, såsom forskning inom fysik av kondenserad materia och kvantstatistisk mekanik, men de planerar att förgrena sig till andra områden, inklusive kemi och material, allt eftersom tekniken blir mer förfinad och tillgänglig.

"Till exempel, att veta om en molekyl skulle bilda en bindning eller reagera på något annat sätt med en annan molekyl för någon ny teknologi... det finns några viktiga problem som du inte kan uppskatta grovt; de är verkligen beroende av detaljer och mycket stark beräkningskraft, "Roushan sa, antyder att de några år senare kanske kan ge bredare tillgång till denna datorkraft. "Så du kan få ett konto, logga in och utforska kvantvärlden. "