Af Palle Vibe, Alt om Data
Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.
Du har sikkert se overskriften før: ”Nu er forskerne kun en hårsbred fra at kunne bygge en kvantecomputer.” Og du vil se den igen, for universiteter og fysikere over hele verden kappes om at fremstille en fuldt fungerende kvantecomputer og komme først med en præsentation for omverdenen. Hidtil er det ikke rigtigt lykkedes for nogen, og hvad skal verden også overhovedet med en kvantecomputer?
Processor-komponenter presses hele tiden ned i størrelse og nærmer sig snart atomart niveau. Og så ændrer de fysiske love sig radikalt, for her hersker nemlig kvantemekanikkens love, som eksempelvis tillader partikler at være to steder samtidig og bevæge sig gennem fast stof. Det er på alle måder meget anderledes end elektriske strømme i digitale kredsløb, men til gengæld vil en fuldt fungerende kvantecomputer kunne foretage beregninger, der er mange gange hurtigere og mere effektive end nogen ordinær computer nogensinde vil blive i stand til.
Mere kapacitet i kvanter
Kvantebits har mange gange større kapacitet end almindelige bits. Netop det faktum, at samme atom kan være to steder eller i to tilstande samtidig (det fysikerne kalder superposition) medfører mulighed for at arbejde med kvantebits (qubits) i stedet for almindelige bits. Og det mangedobler kapaciteten. For mens almindelige bits er kæder af nuller og ettaller, er qubits kæder af dobbelttilstande, der naturligvis kan repræsentere mange flere nuller og ettaller og tilmed i meget kortere kæder.
Hvis forskerne derfor en dag vil kunne lave en kvantecomputer med bare 300 qubits, vil den kunne foretage frygtindgydende parallelle beregninger og yde mere computerkraft end alle verdens almindelige computere til sammen. En kvantecomputer vil eksempelvis kunne give kvalificerede bud på superledning ved stuetemperatur og kold fusion, ligesom den vil kunne håndtere formidable mængder information.
De bedste prototyper på kvantecomputere, som er blevet konstrueret til nu, kan håndtere mellem 10 og 20 kvantebit, og det er ikke nok til at være virkelig praktisk anvendeligt. Problemet ligger i, at det er uhyre svært at manipulere enkelte atomer tilstrækkeligt præcist til, at det er muligt at udføre pålidelige kvanteberegninger.
Lektor Jacob Sherson har gennem flere år udviklet kvanteteknologi ved Aarhus Universitet.I 2010 demonstrerede kvanteforskeren Jacob Sherson, der er lektor på Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, imidlertid i samarbejde med fysikere fra Max-Planck-Institut für Quantenoptik i München en ret snedig metode, der har gjort Sherson og hans team i stand til både at ”se” og manipulere atomer enkeltvis.
Det lykkedes forskerne at fange og placere atomer i et ”optisk” gitter af laserstråler. Dette gitter kan sammenlignes med en æggebakke, og atomerne ligger i bakkens fordybninger. Det lykkedes også efterfølgende Sherson og hans team at manipulere atomerne rundt i ”æggebakken” med en optisk ”pincet”. Pincetten består af ultrapræcist fokuseret laserlys, og når lyset fokuserer på et atom, dannes en lille tragt omkring atomet, der gør det muligt at flytte partiklen rundt mellem fordybningerne.
Hver fordybning i den optiske æggebakke er blot 500 nm bred, og det svarer til hen ved 1/1000 af et menneskehårs bredde. Derfor er det afgørende, at atomerne ligger så stille som overhovedet muligt, og derfor er hele opstillingen frosset ned til omkring -273,15 °C. Først da er det (kvante)fysisk muligt at placere dem oven på hinanden i fordybningerne og derved foretage kvanteberegninger.
Men ikke nok med, at håndteringen naturligvis må foregå ultrapræcist, det hele skal også foregå meget hurtigt. Går det for langsomt, bliver atomernes kvantetilstand (dvs. om de repræsenterer nul, et ettal eller begge værdier på én gang) for meget forstyrret af påvirkninger udefra, og så bliver beregningerne upålidelige. På den anden side dur det heller ikke at flytte atomerne for hurtigt og brutalt. Det kan nemlig få atomets bølgenatur til at ”skvulpe” over tragten, ligesom vandet i en spand, der flyttes for rask.
Mennesker overgår algoritmer
Forskerne startede naturligvis med at afprøve forskellige algoritmer, der kunne computerstyre pincettens bevægelser. Men algoritmer er ofte alt for omstændelige, fordi de slavisk og metodisk afprøver enhver mulighed, uanset om den med menneskeøjne er aldrig så umulig. Mennesker har en meget mere intuitiv fornemmelse for, hvad der vil virke eller ikke. Derfor kommer mennesker også generelt med hurtigere og bedre løsninger og bud på den slags problemer.
Følgelig besluttede Jacob Sherson og hans team sig for at udvikle en form for computer-spil og lade alle, der har lyst, være med og prøve at finde på gode og hurtige bevægelser, der ikke udløser for meget skvulp. Håbet er, at du som intuitivt menneske kan gøre det bedre end selv alverdens højeffektive, men samtidig meget lavintuitive supercomputere er i stand til, og det er ikke kedeligt at hjælpe kvanteforskningen på denne måde.
Første udgave af spillet, der logisk nok kom til at hedde ”QuantumMoves”, blev lanceret af MatLab i 2012 og afprøvet på adskillige læreranstalter rundt i landet som del af paraplyprojektet ScienceAtHome.org, der er udviklet af AU Ideas CODER (Center for Community Driven Research). Der var i starten visse computertekniske begyndervanskeligheder, men de blev løst ved at oversætte spillet til Java og anvende en Unity multi-platform development engine.
Bring vandet hjem
Quantum Moves er et online videospil, der går ud på at jonglere rundt med kvanter og møde udfordringer, der simulerer de logiske operationer i en kvantecomputer. Spillet byder som sådan på flere opgaver, og en af de værste, men også vigtigste, hedder BringHomeWater. Her skal du fastholde og flytte tragte med skvulpende vand ved hjælp af din mus hurtigst muligt, og uden at al for megen væske skvulper over undervejs. For vandet i tragten skvulper nemlig på samme måde i spillet, som atomernes bølgefunktion kan ”skvulpe” over laser-fordybningen i kvanteverdenen.
Noget så simpelt som at flytte en ”spand vand” i spillet ”BringHomeWater” bruges til at udvikle bedre algoritmer.Det gælder om at flytte tragten hurtigt og præcist hen til en brønd med andre atomer og fylde dit atom ovenpå. Du flytter tragten ved at bevæge musen fra side til side, mens du henholdsvis mindsker eller øger ”laserstrålens” styrke ved at bevæge musen frem og tilbage. Det lyder måske ikke uoverkommeligt, men den helt store udfordring ligger i hurtighed, for du har ikke uanede mængder tid til rådighed. Du har sekunder!
Quantum Moves er indtil nu blevet spillet over 6 millioner gange af mere end 150.000 spillere over hele verden, og de foreløbige analyser af spillets resultater har Jacob Shersons forskningsgruppe ved Aarhus Universitet offentliggjort i en onlineartikel i det ansete fagtidsskrift Nature. Resultatet indikerer klart, at menneskelige spillere overgår software-algoritmer, når det kommer til at klare denne type udfordringer.
Giver bedre algoritmer
Men mennesker kan dog ikke gøre det alene, ligesom computere heller ikke kan gøre det alene. Og i længden holder det naturligvis ikke at skulle bede tusinder af personer om at spille pc-spil for at kunne betjene fremtidens kvantecomputer. Derfor analyserer forskerne spillernes musebevægelser, og lader de bedste resultater indgå i nye algoritmer, der kan styre de virkelige bevægelser af laserstråler og laserpincet i laboratoriet. De mange spille-resultater gør det muligt for forskerne at identificere fælles mønstre (strategier), som de har kunnet omsætte til algoritmer, der langt mere effektivt end før kan håndtere laserbevægelserne.
Uden menneskelig mellemkomst ville Sherson og hans team ikke have kunnet udvikle de algoritmer, der nu bruges til at automatisere operationerne. Mennesker er simpelthen bedre til at tænke ud af boksen, og det giver vores hjerne et kreativt forspring i forhold til computere. Analyserne af spillernes bud på løsninger viser også, at mennesker pr. ren intuition benytter to grundlæggende strategier, der på en ejendommelig måde svarer nøje til to forskellige mekanismer i den højere kvantefysik. Det virker næsten som om, hjernen har lidt på fornemmelsen, hvordan kvantefysik virker, og hvem ved?