På CES-mässan i Las Vegas i januari visade IBM upp en replika av sin första ”kommersiella” kvantdator – Q System One. Den marknadsförs som en ”universell” kvandator för vetenskapligt och kommersiellt bruk. Till skillnad från de kvantmaskiner IBM byggt tidigare är System One avsedd att användas utanför forskningslaboratoriet.

Då det är den första produkten i sitt slag ville man också passa på och göra ett visuellt intryck. IBM har jobbat i två år med två byråer för industridesign, Map Project Office oh Universal Design Studio (UDS) för att kombinera nytta med ikonisk look.

Här berättar Bob Wisnieff, cto för IBM Q, om projektet, och resultatet.

– Det var ungefär två år sen vi startade ett projekt för att börja titta på hur vi kunde få fram ett kommersiellt gångbart system, säger Bob Wisnieff.

– När vi började titta på det problemet så insåg vi att det finns stor potential för optimering i kvantdatorer, inte bara att optimera varje enskilt subsystem utan synergin mellan subsystemen, försöka få hela systemet att prestera så bra som möjligt.

– Det som driver på det här är att när antalet kvantbitar går upp, då måste felprocenten i systemet minskas med ungefär 1/n². Vi vill växa över tid, så vi vet att vi måste fortsätta förbättra varje aspekt av systemet för att klara det.

IBM har omfattande elektronikprojekt på gång för att skaffa sig bättre kontroll över kvantbitarna och hålla nere felprocenten.

– Vi har utvecklat specialiserade gate control-pulser för att kunna kontrollera kvantbitarna bättre. Vi har tagit fram bättre metoder för att minska vibrationerna i maskinen, för att eleminera en av källorna till dekoherens [när kvanteffekterna försvinner i ett system].

– Och när vi började föra samman alla de här projekten, för lite över ett år sedan, så såg vi att nu fanns det fantastiska möjligheter att börja tänka på det som en helhet. Och då började vi jobba väldigt tätt ihop med Map Project Office och UDS med att designa hela systemet.

IBM Q System One
Så ser den ut: IBM Q System One.

IBM Q-teamet kände att om de kombinerade alla tekniska landvinningar som gjorts så skulle de kunna få till en ”tydlig brytpunkt” från de mer forskningsorienterade system de hade byggt tidigare, och få fram ett system som för första gången tog kvandatortekniken till en åtminstone lite bredare allmänhet.

Kvantdatorer lär knappast ersätta konventionella datorer, men de har potential att lösa helt andra slags algoritmer som skulle kunna leda till framsteg på områden där superdatorer gått bet.

Ett konkret exempel handlar om kemi och jakten på nya, effektivare material. Kvantdatorn skulle kanske kunna genomskåda komplexa kemiska system som hur kväve fixeras i nitrogenas-enzym. Om det problemet blev löst skulle det gå att få fram mer energisnåla processer för att producera gödsel – en produkt som står för tre procent av världens totala energiförbrukning.

Tekniken är fortfarande i sin linda. Men Wisnieff är tydlig med att IBM plöjer ner mycket pengar i kvantdatorer nu av helt strategiska skäl. Om Q System One är så kommersiellt användbart som IBM vill göra gällande kan diskuteras – men det visar tydligt att företaget vill etablera sig som ledare på den här nya marknaden.

– För att kommersialisera kvantdatorn behöver vi lyckas med flera saker. För det första måste vi få till stånd tillräckligt många kvantbitar som funkar, så att vi kan lösa problem som är relevanta.

– I de maskinerna som vi jobbar på idag siktar vi på mellan 50 och 100 kvantbitar. Då går vi över en gräns där kvantdatorer kommer att kunna tackla problem som inte är görbara, inte är rimliga att ta sig an med konventiella metoder.

– Vi kan säga en del om hur det kommer att fungera. Vi vet inte idag exakt hur algoritmen kommer att se ut, men vi vet att den kvantdatorn kommer att behöva jobba väldigt tätt ihop med en vanlig superdator. Det är den synergi-dansen som kommer att lösa framtidens problem.

Så IBM Quantum siktar på en ”nära koppling” mellan superdator och kvantdator i ett och samma bygge.

– Vi vet också att under de kommande åren kommer maskinerna att utvecklas snabbt, generation efter generation. Så vi hade klart för oss att vi skulle bygga en maskin som skulle gå snabbt att uppgradera.

– Will Howe på Map och Jason Holley på UDS kom på ett oerhört smart sätt att byta ut alla delar i maskinen väldigt fort. Så nu kan vi göra saker på bara några dagar, som hade tagit oss två månader tidigare. Det går mer än tio gånger så snabbt att uppgradera maskinen.

Genom att bygga ihop relevanta komponenter tätare i ett integrerat system har de också fått maskinen att ta mycket mindre plats. Samtidigt är det bra för prestandan.

– Vi kan få en mer tillförlitlig maskin som helhelt genom att bygga den tätare, om det görs på rätt sätt. Det är a och o för att vi ska kunna fortsätta göra framsteg.

Foto: laboratorium
Foto: Connie Zhou / IBM ResearchKvantlabbet på IBM:s TJ Watson Research Center i New York.

Will Howe på Map Project Office i London är en av de designers som har varit med och gjort verklighet av kvantdatorn. Han jobbar i en designgrupp tillsammans med bland annat Jason Holley, chef för designbyrån UDS.

– Det är väldigt sällan du får chansen att sätta arktekypen för en helt ny produktkategori. Nu hoppas vi att när folk tänker på kvantdatorer, då är det System One de tänker på, säger Will Howe.

Före System One var alla delar som behövs i ett kvantdatorsystem separata enheter, isolerade från varandra. System One är det första helt integrerade systemet.

Bakom en 2,7 x 2,7 meter stor glaspanel, designad av monterspecialisterna Goppion i Milano, sitter kryostaten isolerad från omvärldens ljudvågor, vibrationer, elektromagnetisk strålning och andra störningar. Kryostaten är den apparat som kyler själva kvantchippet nästan ner till absoluta nollpunkten, så att det ska bli supraledande, vilket behövs för att kvanteffekterna ska uppenbara sig.

Tidigare kryostater hade suttit upphängda i ett vanligt ramverk med en stolpe i varje hörn. Den nya designen landade i ett konsolsystem istället. Det sitter fast monterat i ett betongfundament, och tack vare den konstruktionen kan kryostaten hänga längst fram i maskinen. Där är det lätt för ingenjörerna att komma åt den från alla håll, och den hamnar i fokus för designen.

Skiss

Glasmontern har gångjärn så framsidan kan öppnas och fällas undan längs med sidorna, och på baksidan sitter elektroniken och gassystemet för kryostaten monterade på en fristående ram. Allt är byggt så att inget instrument sitter för nära något annat, och inget stör värmeväxlarna, som sitter undertill och blåser klimatkontrollerad luft genom bygget.

Ingenjörerna trodde i början inte riktigt på att det nya ramverket skulle kunna hålla kryostaten tillräckligt stabil och isolerad, men det visade sig leverera bättre resultat än det gamla. I det färdiga systemet kan kryostaten kylas ända ner till 0,01 kelvin – bara en hundradels grad över absoluta nollpunkten.

Holley är nöjd med att ha fått vara med och utforma den första produktifierade kvantdatorn, och även om det inte fanns någon tidigare design att stödja sig på fann han inspiration i IBM:s kryostater.

Foto: Kryostat
Innanmätet i en kryostat.

– Det var något speciellt med själva kryostaten som redan fick oss att tänka att det är precis så man föreställer sig en kvantdator. Det kändes bra, att det redan fanns något där – något som redan var intressant ur designsynpunkt – så en del av det vi ville göra var att försöka kanalisera det, men samtidigt verkligen förenkla det. Verkligen fokusera på den här maskinens karaktär.

– Nu förebådar det här en ny era inom datavetenskapen, så rollen som en symbol och rollen som ett tekniskt framsteg – de går hand i hand.

Howe lägger till att de inte bara gick in för att skapa en ikonisk design, utan att jobbade tätt ihop med de ingenjörer som använder, finjusterar och programmerar kvantmaskinerna varje dag. Det var de som drev på att den skulle vara lätt att underhålla och inte ta för stor plats.

– Steg för steg gör vi det här till en mer kommersiell verklighet, säger Howe.

Läs också: 
10 tekniktrender som dominerar 2019 – enligt Gartner
Första steget mot AI på IBM:s kvantdator