The high-stakes race to make quantum computers work - Chiara Decaroli

Vertaald door: Dick Stada Nagekeken door: Tahlia Flora

The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology

De inhoud van deze metalen cilinder kan een revolutionaire technologie worden,

or be completely useless—

of totaal waardeloos zijn —

it all depends on whether we can harness the strange physics of matter

dat hangt ervan af of we de vreemde natuurwetten

van materie op heel kleine schaal kunnen benutten.

at very, very small scales.

To have even a chance of doing so,

Om zelfs maar een kans te hebben om dat te doen,

we have to control the environment precisely:

moeten we de omgeving nauwkeurig in de gaten houden:

the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps,

het dikke tafelblad en de poten beschermen tegen trillingen door voetstappen,

nearby elevators, and opening or closing doors.

liften in de buurt en deuren die open of dicht gaan.

The cylinder is a vacuum chamber,

De cilinder is een vacuümkamer,

devoid of all the gases in air.

zonder welke gas uit de lucht dan ook.

Inside the vacuum chamber is a smaller,

In de vacuümkamer is een kleinere, extreem koude ruimte,

extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams.

waar heel kleine laserstralen bij kunnen.

Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.

Er zitten extreem gevoelige deeltjes in die samen een quantumcomputer vormen.

So what makes these particles worth the effort?

Wat maakt deze deeltjes de moeite waard?

In theory, quantum computers could outstrip the computational limits

Theoretisch gaan deze quantumcomputers ver voorbij de rekenkundige grenzen

of classical computers.

van klassieke computers.

Classical computers process data in the form of bits.

Klassieke computers verwerken data in de vorm van bits.

Each bit can switch between two states labeled zero and one.

Elke bit kan schakelen tussen twee gedaantes:

nul en één.

A quantum computer uses something called a qubit,

Een quantumcomputer gebruikt iets wat qubit heet,

which can switch between zero, one, and what’s called a superposition.

die kan wisselen tussen nul, één en iets dat superpositie heet.

While the qubit is in its superposition,

Als een qubit zich in zijn superpositie bevindt,

it has a lot more information than one or zero.

bevat hij veel meer informatie dan één of nul.

You can think of these positions as points on a sphere:

Je kan bij deze posities denken aan punten op een bol:

the north and south poles of the sphere represent one and zero.

de noord- en zuidpool van de bol stellen de één en de nul voor.

A bit can only switch between these two poles,

Een bit kan alleen wisselen van pool,

but when a qubit is in its superposition,

maar als een qubit in superpositie is,

it can be at any point on the sphere.

kan die zich op elk punt van de bol bevinden.

We can’t locate it exactly—

Je kan het niet precies lokaliseren —

the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one.

zodra je dat doet, wordt de qubit een nul of een één.

But even though we can’t observe the qubit in its superposition,

Hoewel je de qubit in superpositie niet kan zien,

we can manipulate it to perform particular operations while in this state.

kan je hem wel bewerken om in die toestand bepaalde dingen te laten doen.

So as a problem grows more complicated,

Naarmate een probleem ingewikkelder wordt,

a classical computer needs correspondingly more bits to solve it,

heeft een klassieke computer daar overeenkomstig meer bits voor nodig,

while a quantum computer will theoretically be able to handle

terwijl een quantumcomputer theoretisch in staat is

om steeds ingewikkeldere problemen aan te kunnen

more and more complicated problems

without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.

zonder zoveel qubits nodig te hebben

als een klassieke computer.

The unique properties of quantum computers

De unieke eigenschappen van quantumcomputers

komen door het gedrag van atomaire en subatomaire deeltjes.

result from the behavior of atomic and subatomic particles.

These particles have quantum states,

Deze deeltjes hebben een quantumtoestand

which correspond to the state of the qubit.

die overeenkomt met hun toestand als qubit.

Quantum states are incredibly fragile,

De toestand van een qubit is ongelooflijk fragiel,

easily destroyed by temperature and pressure fluctuations,

en vervalt gemakkelijk door veranderingen in temperatuur en druk,

stray electromagnetic fields,

elektromagnetische velden met zwerfstroom,

and collisions with nearby particles.

en botsingen met deeltjes in de buurt.

Daarom is het installeren van een quantumcomputer zo bewerkelijk.

That’s why quantum computers need such an elaborate set up.

It’s also why, for now,

Dat is ook de reden, nog steeds,

the power of quantum computers remains largely theoretical.

dat de kracht van quantumcomputers nog grotendeels theoretisch is.

So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.

We kunnen nog maar een paar qubits op dezelfde plaats tegelijk besturen.

There are two key components involved

Twee belangrijke componenten zijn betrokken

in managing these fickle quantum states effectively:

bij het effectief beheren van deze wispelturige kwantumtoestanden:

the types of particles a quantum computer uses,

het soort deeltjes dat een quantumcomputer gebruikt,

and how it manipulates those particles.

en hoe je die deeltjes bestuurt.

For now, there are two leading approaches:

Dat kan tot nu toe op twee manieren:

trapped ions and superconducting qubits.

met gevangen ionen en met supergeleidende qubits.

A trapped ion quantum computer uses ions as its particles

Een quantumcomputer met gevangen ionen gebruikt ionen als deeltjes

and manipulates them with lasers.

en manipuleert ze met laserstralen.

The ions are housed in a trap made of electrical fields.

De ionen zitten in een val die gemaakt is met elektrische velden.

Inputs from the lasers tell the ions what operation to make

Met laserstralen wordt bepaald wat de ionen moeten doen

by causing the qubit state to rotate on the sphere.

door de qubit-toestand op de bol te laten roteren.

To use a simplified example,

Om een simpel voorbeeld te geven:

the lasers could input the question:

de laserstralen kunnen vragen

what are the prime factors of 15?

wat de priemfactoren van vijftien zijn.

In response, the ions may release photons—

Als antwoord kunnen de ionen fotonen loslaten —

the state of the qubit determines whether the ion emits photons

de toestand van de qubit bepaalt of het ion fotonen loslaat

en hoeveel fotonen hij loslaat.

and how many photons it emits.

An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer:

Een systeem verzamelt deze fotonen en verwerkt ze tot een antwoord:

3 and 5.

drie en vijf.

Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way:

Quantumcomputers met supergeleidende qubits

doen het op een andere manier:

using a chip with electrical circuits instead of an ion trap.

met een chip met elektrische circuits in plaats van een ionenval.

The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit.

De toestand van zo’n elektrisch circuit bepaalt de toestand van de qubit.

They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves.

Je kunt ze manipuleren met elektriciteit in de vorm van microgolven.

So: the qubits come from either ions or electrical circuits,

De qubits komen dus van ionen of elektrische circuits,

acted on by either lasers or microwaves.

en worden bewerkt door lasers dan wel microgolven.

Each approach has advantages and disadvantages.

Beide manieren hebben voor- en nadelen.

Ions can be manipulated very precisely,

Ionen kunnen heel nauwkeurig bewerkt worden,

and they last a long time,

en ze blijven lang bestaan,

but as more ions are added to a trap,

maar hoe meer ionen in een val belanden,

hoe lastiger het wordt om ze nauwkeurig te bewerken.

it becomes increasingly difficult to control each with precision.

We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations,

We kunnen nu nog niet genoeg ionen in een val houden

om moeilijke berekeningen uit te voeren,

but one possible solution might be to connect many smaller traps

maar dat kan misschien wel met meerdere kleine verbonden vallen

that communicate with each other via photons

die met elkaar communiceren met behulp van fotonen

rather than trying to create one big trap.

in plaats van te proberen een grote val te maken.

Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions,

Supergeleidende circuits rekenen intussen veel sneller dan gevangen ionen.

and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer

Het is ook makkelijker om het aantal circuits op te schalen

than the number of ions.

dan het aantal ionen.

But the circuits are also more fragile,

Maar de circuits zijn ook kwetsbaarder,

and have a shorter overall lifespan.

en hebben uiteindelijk een kortere levensduur.

And as quantum computers advance,

Naarmate quantumcomputers vorderen,

they will still be subject to the environmental constraints

zijn ze nog steeds onderhevig aan de omgevingsbeperkingen

needed to preserve quantum states.

die nodig zijn voor quantumtoestanden.

But in spite of all these obstacles,

Ondanks deze hindernissen,

we’ve already succeeded at making computations

zijn we er al in geslaagd berekeningen te maken

in a realm we can’t enter or even observe.

in een gebied dat we niet kunnen betreden of zelfs maar kunnen zien.