Kvantedatamaskiner – hva, hvordan og hvorfor?


Kvantemaskiner, eller quantum computers som de kalles på engelsk, baserer seg på kvantefysikkens lover. Mange av kvantefysikkens lover er så forskjellige fra det vi er vant til at de kan være vanskelige å akseptere, men de regnes som helt ukontroversielle blant fysikere.

Det er usikkerhet om hva som forårsaker disse lovene, og det er mye vi fortsatt ikke forstår, men heldigvis trenger vi ikke vite hvorfor kvantemekanikken er som den er for å benytte oss av den.

Selv har jeg knapt hatt noe kvantefysikk på skolen, men tror likevel at dette vil være en noenlunde riktig forklaring. To ting om kvantefysikk må understrekes for at prinsippet bak kvantemaskiner skal kunne forstås:

  1. Når to eller flere partikler omgås hverandre kan de bli sammenfiltret (på engelsk: entangled). Dette innebærer at tilstanden til en partikkel påvirker tilstanden til de andre tilstandene også. Hvis man forsiktig frakter partiklene fra hverandre uten å la dem komme i kontakt med omverdenen vil de fortsatt være sammenfiltret, uansett hvor langt unna hverandre de er. For eksempel: Hvis to elektroner er sammenfiltret vil ikke begge kunne ha samme spinn på en gang, så hvis den ene har spinn opp vil den andre ha spinn ned. Hvis de er på hver sin side av jordkloden vil vi kunne vite hvilken spinn det ene elektronet har ved å observere spinnen på det andre.
  2. En partikkel kan ha flere egenskaper på en gang. Når vi måler får vi et bestemt resultat, men før målingen finner sted kan partikkelen ha flere potensielle egenskaper på en gang. Dette kalles for superposisjon.

En vanlig PC har bits, som enten kan være 1 eller 0. Dette er ikke tilfellet for en kvantemaskin, som ikke har bits, men såkalte qubits. En quibit kan være 1 eller 0, eller superopsisjon av begge. Når en qubit er en superposisjon av 1 og 0 betyr det på en måte at den er begge deler på en gang.

Rent fysisk kan partikler gjøres til qubits ved å bli sammenfiltret med hverandre. Bildet viser tre qubits som egentlig er sammenfiltrede Beryllium-atomer:

Atomene er holdt på plass ved hjelp av elektriske og magnetiske felt. Atomene blir manipulert ved at man skyter laserstråler på dem. Siden de er sammenfiltrede er det nok å skyte laser på en eller noen få av qubitsene.

Men enda har jeg ikke forklart hva som er så utrolig med kvantemaskiner. Her kommer det:

Mens en qubit kan være en superposisjon av 1 og 0, kan flere qubits være en superposisjonen av alle mulige kombinasjoner av 1 og 0. Bildet under understreker poenget ved å vise forskjellen mellom 3 vanlige bits og 3 qubits:

3 qubits inneholder altså like mye informasjon som 24 vanlige bits. Mengden informasjon i en gruppe med qubits målt i bits tilsvarer 2n, hvor n er antall qubits. Altså dobles informasjonen for hver ekstra qubit, i motsetning til i en vanlig datamaskin hvor en ekstra bit betyr en ekstra bit.

En kvantemaskin med 42 qubits vil inneholde like mye informasjon som en datamaskin på 500 gigabyte. En kvantemaskin på 300 qubits vil inneholde om lag 1010 ganger så mange bits med informasjon som det er atomer i det observerbare universet!

Med dette mener jeg ikke at en kvantemaskin kan lagre masse informasjon, men at den vil kunne prøve ut flere løsninger på et problem på en gang, slik bildet under viser:

Men det er store utfordringer knyttet til kvantemaskiner. Å lage dem slik at det er det riktige svaret på oppgaven som blir vist er vanskelig, og ofte helt umulig. Det er bare noen typer oppgaver som kan bli løst med en kvantemaskin, men til gjengjeld vil en kvantemaskin kunne løse ekstremt vanskelige oppgaver. Oppgaver som selv i teorien er umulige å løse med en konvensjonell datamaskin.

Noen av oppgavene som vi tror vil være lettere å løse med kvantemaskiner er oppgaver som innebærer at man prøver ut mange forskjellige løsninger. For eksempel vil de lett kunne faktorisere store tall. Og de vil kunne simulere kvantefysikk, noe som er veldig krevende for vanlige datamaskiner, men viktig for å kunne forstå verden rundt oss og for den teknologiske utviklingen. Hvor mange typer oppgaver som vil kunne løses med en kvantemaskin vet vi ikke enda.

Foreløpig har kvante-maskiner bare blitt laget i laberatoriene. De har kun løst enkle oppgaver og består av få bits. Michael Nielsen, en ekspert på området, skrev på bloggen sin i 2008:

Exactly who holds the record for the most qubits depends on who you ask, because different people have different ideas about what standards need to be met to qualify as a genuine quantum computer. The current consensus for the record is about 5-10 qubits.

Som nevnt dobles informasjonen i en kvante-maskin for hver qubit, men til gjengjeld er det vanskeligere og vanskeligere å legge til qubits desto flere du allerede har. Husk at alle qubitsene må være sammensammenfiltret, og samtidig må de ikke komme i kontakt med omgivelsene.

Hvor mange qubits vi til slutt vil kunne få sammen i en kvante-maskin vet vi ikke, men Ray Kurzweil nevner i boken sin:

There are proposals to increase significantly the number of qubits, although these have not yet been proved in practice. For example, Stephan Gulde and his colleagues at the University of Innsbruck have built a quantum computer using a single atom of calcium that has the potential to simultaneously encode dozens of qubits—possibly up to one hundred—using different quantum properties within the atom.

Fysikeren David Deutsch er en av verdens fremste innenfor utviklingen av kvantemaskiner. I 2005 sa han:

For a long time my standard answer to the question ‘how long will it be before the first universal quantum computer is built?’ was ‘several decades at least’. In fact, I have been saying this for almost exactly two decades … and now I am pleased to report that recent theoretical advances have caused me to conclude that we are within sight of that goal. It may well be achieved within the next decade.

The main discovery that has made the difference is cluster quantum computation, which is a marvellous new way of structuring quantum computations which makes them far easier to implement physically.

Vil du lese mer om kvante-maskiner? Da anbefaler jeg deg å lese Quantum computing for everyone på Michael Nielsens blogg, og artikkelen The limits of quantum computing fra Scientific American. Du kan også lese denne artikkelen fra howstuffworks.com. Og hvis du har lyst til å bli en skikkelig ekspert på kvante-maskiner kan du starte med å se disse video-foredragene fra Cambridge. Cambridge har også lagt ut denne, denne og denne plakaten – som forklarer ting på en enkel og forståelig måte.

One Response to Kvantedatamaskiner – hva, hvordan og hvorfor?

  1. [...] Jeg syntes det ville være uriktig å la være å nevne kvante-maskiner, siden de kan få mye å si, men det bør understrekes at ingen av konklusjonene jeg kommer til å trekke senere i denne artikkelen er avhengige av om de blir utviklet eller ikke. Hvis du vil finne ut mer om kvante-maskiner kan du lese en mer utdypende artikkel jeg har skrevet om temaet her. [...]

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: