By Sandra Helsel lagt ut 13. september 2022
Quantum News Briefs i dag åpner med "Insights from a Visit to IBM's Quantum Research Labs", etterfulgt av enhetsuavhengig QKD (DIQKD) forskning som vil gjøre hacking meningsløst; og for det tredje en rapport om forskere som utvikler ultratynne 'Metasurface'-enheter for kvanteteknologi og MER.
Innsikt fra et besøk til IBMs Quantum Research Labs
Kevin Krewell, en Forbes-bidragsyter, besøkte nylig IBMs Quantum Research Labs i Yorktown Heights, New York, og snakket med Jay Gambetta, IBM Fellow og VP of Quantum Computing, IBM Research og teamet hans som jobber for å fremme kvantedatabehandling. Quantum News Briefs oppsummerer viktige punkter nedenfor. Les hele intervjuet og analysen her.
Krewall åpner med denne forklaringen, "Målet for IBM-forskerne er å gjøre kvantedatabehandling så allestedsnærværende som mulig for å løse unike problemer. For å gjøre kvantesystemer mer tilgjengelige, må de bli "cloud-native" eller "serverless", ved at de blir en skyressurs som belastes basert på bruk. I denne epoken med disaggregerte datasentre kan quantum være et av de spesialiserte beregningselementene som er tilgjengelige for klassiske datamaskiner, omtrent som GPUer er i dag."
Krewall vurderer deretter IBMs mål om 1 million qubits: IBM Research følger en lignende vei som den som ble tatt med klassiske datamaskiner: legg flere og raskere qubits på en brikke ved hjelp av silisiumskalering; sammenkoble flere quantum dø som fliser; og bygge klynger av kvantedatamaskiner som jobber sammen.
Mens målet er å bygge systemer med millioner av rå qubits for feiltolerant kvanteberegning, er det mye arbeid som kan gjøres i mellomtiden for å forbedre ytelsen til rå qubits for å gjøre mer arbeid raskere ved å bruke kvantefeilredusering. For å få bedre kvanteresultater ved å bruke dagens relativt støyende og kortvarige qubits krever noen løsninger. IBM Research har kommet opp med et par feilreduserende teknikker som har vist seg nyttige.
Det endelige målet for praktisk kvantedatabehandling er å gi en fordel fremfor klassisk databehandling for å løse betydelige problemer innen en rimelig tidsramme.
*****
Forskere utvikler ultratynne 'Metasurface'-enheter for kvanteteknologi
Forskere på Sandia Nasjonale laboratorier og Max Planck Institute for the Science of Light har rapportert om en enhet som kan erstatte et rom fullt av utstyr for å koble fotoner i en bisarr kvanteeffekt kalt sammenfiltring. Denne enheten – et slags nano-konstruert materiale kalt en metasurface – baner vei for sammenfiltring av fotoner på komplekse måter som ikke har vært mulig med kompakte teknologier.
Forskning for den banebrytende enheten, som er hundre ganger tynnere enn et papirark, ble delvis utført på Senter for integrert nanoteknologi, et Department of Energy Office of Science brukeranlegg som drives av Sandia og Los Alamos nasjonale laboratorier. Sandias team mottok finansiering fra Office of Science, Basic Energy Sciences-programmet.
Den nye metaoverflaten fungerer som en døråpning til dette uvanlige kvantefenomenet. På noen måter er det som speilet i Lewis Carrols «Through the Looking-Glass», der den unge hovedpersonen Alice opplever en merkelig, ny verden.
I stedet for å gå gjennom den nye enheten, skinner forskerne en laser gjennom den. Lysstrålen passerer gjennom en ultratynn prøve av glass dekket av strukturer i nanoskala laget av et vanlig halvledermateriale kalt galliumarsenid. "Det forvrider alle de optiske feltene," sa Sandia seniorforsker Igal Brener, en ekspert på et felt kalt ikke-lineær optikk som ledet Sandia-teamet. Av og til, sa han, dukker et par sammenfiltrede fotoner med forskjellige bølgelengder ut fra prøven i samme retning som den innkommende laserstrålen.
Vitenskapsartikkelen skisserer hvordan teamet lykkes med å innstille metaoverflaten for å produsere sammenfiltrede fotoner med varierende bølgelengder, en kritisk forløper for å generere flere par intrikat sammenfiltrede fotoner samtidig.
*****
Enhetsuavhengig QKD (DIQKD) vil gjøre hacking meningsløst
Enhetsuavhengig QKD (forkortet DIQKD) har vært teoretisk kjent siden 1990-tallet, men den har nettopp blitt eksperimentelt implementert av et internasjonalt forskerteam ledet av Ludwig Maximilian Universitetet i München fysiker Harald Weinfurter og Charles Lim fra National University of Singapore (NUS). Den kryptografiske protokollen påvirkes ikke av enheten. Quantum News Briefs oppsummerer og deler nylig rapport fra SciTechDaily.
Med konvensjonelle QKD-metoder er sikkerheten garantert kun når kvanteenhetene som brukes har blitt karakterisert tilstrekkelig godt. "Og derfor må brukere av slike protokoller stole på spesifikasjonene levert av QKD-leverandørene og stole på at enheten ikke vil bytte til en annen driftsmodus under nøkkeldistribusjonen," forklarer Tim van Leent, en av de fire hovedforfatterne av papir sammen med Wei Zhang og Kai Redeker. Det har vært kjent i minst et tiår at eldre QKD-enheter lett kan hackes utenfra, fortsetter van Leent.
I DIQKD brukes testen «spesifikt for å sikre at det ikke er noen manipulasjoner ved enhetene – det vil for eksempel si at skjulte måleresultater ikke er lagret i enhetene på forhånd», forklarer Weinfurter.
"Med metoden vår kan vi nå generere hemmelige nøkler med ukarakteriserte og potensielt upålitelige enheter," forklarer Weinfurter.
Et av de neste målene er å utvide systemet til å inkludere flere sammenfiltrede atompar. "Dette vil tillate mange flere sammenfiltringstilstander å bli generert, noe som øker datahastigheten og til slutt nøkkelsikkerheten," sier van Leent.
*****
Det geopolitiske hastverket med å utvikle kvanteteknologier sett fra India
USA, Kina, Russland og Storbritannia er de globale spillere som har et forsprang i kvantedomenet. Landenes intensjon om å utvikle kvantedatamaskiner har blitt uimotståelig gevinst en strategisk ledelse innen cybersikkerhet, etterretningsoperasjoner og økonomisk industri. Ved Shinde er student i statsvitenskap og økonomi ved St Stephens College, Delhi University, India, er forfatteren av denne oversikten over global kvanteutvikling i The Geopolitics.
Nasjonene nevnt ovenfor har viet eksponentielle monetære ressurser mot kvanteforskning og utvikling. For tiden huser USA verdens største kvantedatamaskin, IBMs Eagle. IBM også søker å dominere kvanterommet med en megadatabrikke som potensielt kan behandle over 1.000 qubits. Teknologiske kraftsentre som Google, Microsoft og IBM er alle amerikanske selskaper som lar USA beholde en sterk ledelse innen kvantedatabehandling.
Kina, USA og Storbritannia har konkurransedyktige nasjonale planer for å tiltrekke seg datatalent og kompetanse. For eksempel kinesisk har sin "Thousand Talents Plan" som har slått globale øyeepler. Beijing splurer ut penger for å lokke forskere og forskere. Kina har også investert i to forskjellige arkitektoniske veier for å oppnå beregningsfordeler i kvanteoverlegenhet. Disse banene er lysbasert Gaussisk bosonsampling og elektronbasert tilfeldig kvantekretsprøvetaking, som også brukes i IBMs Eagle.
Både USA og Kina har videre innført begrensninger for innenlandske selskaper for å begrense teknologisk utveksling med hverandre. Dette har reist spørsmål fra ulike hold rundt geopolitisk dynamikk som former forsyningskjeder for kvanteteknologi. På grunn av deres konsentrerte og kapitalintensive natur, er disse forsyningskjedene under trussel av geopolitiske rivaliseringer. Dette vil forsterkes etter hvert som åndsverksregimer og globale standarder for kvanteteknologier utvikles.
Frankrike, Tyskland, Australia, Canada, Sveits, Østerrike, Israel, Nederland, India, Sør-Korea, Singapore og Japan er noen få annen nasjoner som også har laget veldefinerte nasjonale initiativ innen kvanteteknologi.
For et land som India har kvanteteknologier flere muligheter. Eksperter påpeke at kvantekryptering kan sikre kommunikasjon, kvantesimulering kan hjelpe til med å utforske materialer for grønne teknologier og kvanteregistrering kan hjelpe til med å kartlegge virkningen av klimaendringer. India har allerede lansert et nasjonalt oppdrag for kvanteteknologier og -applikasjoner (NMQTA) med et totalt budsjett utlegg på åtte tusen crore rupees og har demonstrert sin intensjon med å utvikle disse teknologiene.
*****
Sandra K. Helsel, Ph.D. har forsket på og rapportert om frontier-teknologier siden 1990. Hun har sin Ph.D. fra University of Arizona.
