En kvintiljon räknar ut en sekund. Det är en med 18 nollor efter den. Det är den hastighet med vilken en exascale superdator kommer att bearbeta information. Department of Energy (DOE) förbereder för den första exascale-datorn som ska distribueras 2021. Två till kommer snart efter. Ändå kanske kvantdatorer kan utföra mer komplexa beräkningar ännu snabbare än dessa kommande exascale-datorer. Men dessa tekniker kompletterar varandra mycket mer än de tävlar.

Det kommer att dröja ett tag innan kvantdatorer är redo att ta itu med stora vetenskapliga forskningsfrågor. Medan kvantforskare och forskare inom andra områden samarbetar för att designa kvantdatorer för att vara så effektiva som möjligt när de väl är redo, det är fortfarande långt kvar. Forskare räknar ut hur man bygger qubits för kvantdatorer, själva grunden för tekniken. De etablerar de mest grundläggande kvantalgoritmerna som de behöver för att göra enkla beräkningar. Hårdvaran och algoritmerna måste vara tillräckligt långt framme för att kodare ska kunna utveckla operativsystem och programvara för att göra vetenskaplig forskning. För närvarande, vi är på samma punkt inom kvantberäkning som forskare på 1950-talet var med datorer som körde på vakuumrör. De flesta av oss har regelbundet datorer i fickorna nu, men det tog årtionden att nå denna nivå av tillgänglighet.

I kontrast, exascale-datorer kommer att vara klara nästa år. När de startar, de kommer redan att vara fem gånger snabbare än vår snabbaste dator—Summit, vid Oak Ridge National Laboratorys Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning. Direkt, de kommer att kunna ta itu med stora utmaningar i att modellera jordsystem, analysera gener, spåra hinder för fusion, och mer. Dessa kraftfulla maskiner gör det möjligt för forskare att inkludera fler variabler i sina ekvationer och förbättra modellernas noggrannhet. Så länge vi kan hitta nya sätt att förbättra konventionella datorer, vi gör det.

När kvantdatorerna är redo för bästa sändningstid, forskare kommer fortfarande att behöva konventionella datorer. De kommer att möta olika behov.

DOE designar sina exascale-datorer för att vara exceptionellt bra på att köra vetenskapliga simuleringar såväl som maskininlärning och artificiell intelligens. Dessa kommer att hjälpa oss att göra nästa stora framsteg inom forskning. På våra användaranläggningar, som producerar allt större mängder data, dessa datorer kommer att kunna analysera dessa data i realtid.

Kvantdatorer, å andra sidan, kommer att vara perfekt för att modellera växelverkan mellan elektroner och kärnor som är beståndsdelar i atomer. Eftersom dessa interaktioner är grunden för kemi och materialvetenskap, dessa datorer kan vara otroligt användbara. Tillämpningar inkluderar modellering av grundläggande kemiska reaktioner, förstå supraledning, och designa material från atomnivå och uppåt. Kvantdatorer kan potentiellt minska tiden det tar att köra dessa simuleringar från miljarder år till några minuter. En annan spännande möjlighet är att koppla ihop kvantdatorer med ett kvantinternetnätverk. Detta kvantinternet, tillsammans med det klassiska internet, kan ha stor inverkan på vetenskapen, nationell säkerhet, och industri.

Precis som samma forskare kan använda både en partikelaccelerator och ett elektronmikroskop beroende på vad de behöver göra, Konventionell och kvantdator kommer var och en att ha olika roller att spela. Forskare med stöd av DOE ser fram emot att förfina de verktyg som båda kommer att tillhandahålla för forskning i framtiden.