17. juni 2021

Kvantecomputeren

KVANTEFYSIK OG COMPUTERVIDENSKAB:

Kvantecomputerens fænomenale regneevner kan i fremtiden blandt andet få stor indflydelse på alt fra grøn omstilling til udvikling af mere effektive solceller. Kvantecomputere er dog utroligt krævende at fremstille, og meget følsomme overfor forstyrrelser i deres omgivelser. På trods af dette, lykkedes det i 2019 at bruge 53 superledende kvantebits til at udføre en udregning på 3 minutter, som man forventer ville tage verdens største supercomputer cirka 4 uger, selv hvis den kørte for absolut fuld kraft. På Niels Bohr Institutet forsker vi i at udvikle kvantebits der er mindre følsomme overfor forstyrrelser eller "støj", som man kalder det, samt nye anvendelsesmuligheder for kvantecomputere.

Morten Kjaergaard
Morten Kjaergaard forsker i udviklingen af kvantecomputeren i Center for Quantum Devices på Niels Bohr Institutet.

Hvad kan man egentlig regne ud?

Måske tænker man ikke over det til hverdag, men vores verden er domineret af lynhurtige udregninger udført af computere: Hver gang man bruger en app til at finde vej, bruger sit dankort eller søger på nettet, bruger vi algoritmer der kører på enten små computere (som f.eks. vores telefoner) eller store supercomputere (som når man bruger søgefeltet på Google).

Men selv om både søgemaskiner og gps’er er blevet hurtigere og mere effektive, så er der stadig visse problemer, som selv de største supercomputere må give op overfor.

 

Desværre viser det sig, at mange af de problemer vi som samfund er allermest interesserede i at løse, har en særlig kompleksitet, som gør at store supercomputere ikke kan bruges til at løse dem eksakt. 

Et typisk eksempel er den såkaldte ’omrejsende salgsmand’. Forestil dig du er en salgsmand, der vil besøge de 15 største byer i Danmark, og bruge absolut mindst mulig benzin - og kun besøge hver by én gang. Hvilken rute skal du tage?

Vi kan nemt bede en computer om bare at tage Google Maps og starte fra en ende af, og prøve forskellige ruter indtil den finder den korteste. Men det viser sig, at selv hvis vores omrejsende salgsmand skal besøge bare et lille antal byer, og vi insisterer på at finde den optimale rute, bliver problemet praktisk talt uløseligt (det tager simpelthen for lang tid) selv for en supercomputer.

Kvantecomputer
Kvantecomputere fungerer ikke på samme måde som de computere vi omgiver os med i dag. De er baseret på kvantemekaniske principper, det vil sige den måde naturen fungerer kvantemekanisk på atomart niveau.

Den store forskel - transistorer og kvantebits

En normal transistor er karakteriseret ved at kunne være tændt (’der løber en strøm’, ofte kaldet ’1’ tilstanden) eller slukket (’der løber ingen strøm’, ofte kaldet ’0’ tilstanden). Hvad er den kvantemekaniske pendant til det?

Med Bohrs atommodel ved vi, at elektroner kun kan findes i særlige tilladte ’elektron-baner ’(eller rettere, energi-niveauer). Kvantecomputerpionererne forestillede sig, at man kunne tage et atom og identificere det nederste energiniveau med ’0’ og kalde det næste energi-niveau for ’1’, og dermed få en form for kvantetransistor.

 

Det har siden vist sig, at denne ide ikke bare er interessant fra et grundvidenskabeligt synspunkt, men har potentielt fænomenale anvendelsesmuligheder. En computer hvor transistorerne er erstattet med deres kvantemekaniske pendanter (som kaldes kvantebits) kan nemlig effektivt løse nogle af NP problemerne!

Kort sagt: Hvad der før var umuligt, bliver pludseligt muligt

Den mest konkrete udmøntning af dette er Shors algoritme fra ’94: Shors algoritme kan ved hjælp af en (tilstrækkelig stor) kvantecomputer bryde den form for kryptering vi bruger til at kommunikere sikkert over internettet. Internetkrypteringen antager nemlig, at NP problemer ikke kan løses effektivt på selv verdens største supercomputere, så hvis du gemmer dine data ved at udnytte et trick fra NP verdenen, så er du i princippet sikker – men ikke hvis der fandtes tilstrækkeligt store kvantecomputere.

Morten Kjaergaard
Størstedelen af udviklingen af kvantecomputere foregår på universiteter rundt omkring i verden – blandt andet her på Niels Bohr Institutet.

Hvad er en Kvantecomputer?

Når man taler om udviklingen af kvantecomputeren, så taler man om processoren, normalt kaldet en CPU. I en kvantecomputer kaldes CPU'en for en QPU (Quantum Processing Unit).

Kvantecomputere fungerer ikke på samme måde som de computere vi omgiver os med i dag. De er baseret på kvantemekaniske principper, det vil sige den måde naturen fungerer kvantemekanisk på atomart niveau. Kvantefysikken beskæftiger sig med universets mindste byggesten på længdeskalaer, hvor naturen opfører sig anderledes end vi er vant til fra vores makroskopiske hverdag.

 

Det er blandt andet fænomener som spin, entanglement (sammenfiltring) og superposition (at være flere steder på samme tid) - specielle kvantefænomener vi ikke er vant til at se i dagligdagen, og derfor også svært begribelige for de fleste.

Ifølge kvantemekanikken kan objekter være i flere tilstande samtidigt. Vi er vant til, at en genstand enten er til højre eller til venstre, at den enten bevæger sig den ene eller den anden vej, eller at den enten roterer med eller mod uret. Men i kvantemekanikken kan partikler faktisk godt kan være både til højre og til venstre, bevæge sig både den ene og den anden vej eller rotere begge veje samtidigt.

I kvantecomputeren kan en kvantebit være både 0 og 1 samtidig, og det giver nogle fantastiske fordele mht. at lave beregninger, til forskel fra den klassiske computer, der er baseret på at en bit kun kan være 0 eller 1 (strøm eller ikke strøm). 

 

 

Hvis den er så god, hvorfor så ikke bare bygge den?

Selvom kvantecomputere er både fundamentalt og praktisk fascinerende, har de vist sig at være usædvanligt teknisk krævende at udvikle, fremstille og kalibrere. Størstedelen af udviklingen af kvantecomputere foregår på universiteter rundt omkring i verden – blandt andet her på Niels Bohr Institutet. 

Kryostat
Kryostaten på billedet er i princippet et avanceret køleskab, hvor kvantecomputerens processor (QPU) sidder i bunden. For at skærme kvantebitsene mod påvirkning udefra køles der ned til nogle få grader over det absolutte nulpunkt.

Der findes mange forskellige måder at fremstille de atomer, som skal bruges som kvantebits.

Nogle kvantebits er rigtige atomer, som dem naturen giver os (bl.a. brugt i såkaldte ’ion-fælde’-kvantecomputere), mens andre er kunstige atomer – systemer der er fremstillet således, at de har adskilte energiniveauer, der kan bruges som kvantebits (bl.a. brugt i såkaldte ’superledende kvantebits’).

Lige nu findes der omkring 50-100 kvantebits i de største kvantecomputere.

 

 

Det helt store problem er nemlig, at kvantetilstanden let forstyrres, hvis den utilsigtet påvirkes. Den helt store eksperimentelle udfordring er at kunne lave kvantebits, der er stabile længe nok til at man kan manipulere med dem - det vil sige at kunne holde længe nok på udregningerne til at få det endelige resultat på udregningen.

For at undgå støj, altså at forstyrre kvantetilstanden, placeres processoren i bunden af en kryostat, der køler hele systemet ned til nogle få grader over det absolutte nulpunkt.

Krævende at jonglere mange kvantebits  

Det viser sig, at det der er fælles for alle de arkitekturer, der findes til at bygge kvantecomputere, det er, at det er utroligt komplekst og krævende at jonglere mange kvantebits på samme tid. Det kræver en sofistikeret blanding af kvantefysik, computervidenskab, ingeniør-videnskab, materiale-videnskab og en masse, masse knofedt.

Som nævnt ovenfor, så er kvantebits utroligt følsomme overfor deres omgivelser, og mister hurtigt deres ’hukommelse’ -  og lige nu er der et internationalt kapløb i gang, der handler om forlænge levetiden af kvantebits, og sætte flere og flere kvantebits sammen.

 

Podcast om Kvantecomputeren
Videnskabsjournalist Jens Degett taler om forhindringer og mulige gennembrud med professor Karsten Flensberg fra Center for Quantum Devices på Niels Bohr Institutet.

Vores forskning her på Niels Bohr Institutet handler særligt om udviklingen af såkaldte superledende kvantebits. Vi forsker bl.a. i nye materialer for at forlænge hukommelsestiden, nye måder at sammensætte kvante-kredsløbene på, således at kvantebits’ne er bedre beskyttet fra støj, samt forskning i eksperimentelle demonstrationer af små kvantealgoritmer og protokoller, som udnytter kvantemekanikkens forunderlige verden til at udføre udregninger, der ellers ville være umulige.

 

 

Se også: