Home » Forskning » Kvanteberegningens magi
Kvanteberegningens magi

Kvanteberegningens magi

Share

Parallelle universer og teleportation er mere end bare science fiction – de er hjertet af kvanteberegning. AOD er din vejviser til det umulige

Det, der kræves for at få meningsfyldte resultater fra en kvantecomputer, kan kun beskrives som en lettere magisk. Traditionelle computere – fra din skrivebordscomputer til supercomputerne som IBM bygger, når de skal vise sig – bruger alle et system af kontakter, der kan være enten tændt eller slukket. Vi betegner denne binære tilstand med et 1 eller et 0.

Kvantecomputere er anderledes i og med, at de kan være i begge disse tilstande på samme tid. Disse tilstande kaldes ’superpositioner’. Den grundlæggende enhed i en kvantecomputer er en kvantebit eller ’qubit’, og deres evne til at være i to samtidige tilstande er det, der gør kvantecomputere så hurtige.

Lyder det mere som magi end videnskab? Læs videre og du vil opdage at på trods af al den mystiske fysik, så kunne en fungerende praktisk kvantecomputer være lige om hjørnet.

[pt id=’2007951′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”IBM’s Blue Gene supercomputer er lige så kraftig som en ZX81 sammenlignet med en kvantecomputer”‘]

IBM's Blue Gene supercomputer er lige så kraftig som en ZX81 sammenlignet med en kvantecomputer

Interessen i kvanteteori og dets anvendelse til beregning er delvist et resultat af matematikerens Peter Shors arbejde. Han udviklede en algoritme, der kunne opløse store tal i deres faktorer ved at bruge en kvantecomputer. Denne algoritmes mulige hastighed viser teknologiens potentiale.

Shors algoritme er så kraftig, at den giver løfte om at knække den antageligt vandtætte kryptering, du og jeg bruger, når vi går i banken på internettet, noget ingen konventionel computer er kommet tæt på at gøre.

Sandelig, kvantecomputeres potentielle beregningskraft får det virkelig til at svimle for en. Da en kvantecomputer essentielt opererer som en enorm parallel beregningsmaskine, kan den arbejde på millioner af beregninger samtidigt (hvorimod en traditionel computer arbejder på en beregning af gangen i rækkefølge).

En 30-qubit kvantecomputer ville have omkring den samme beregningskraft som en konventionel computer, der behandler kommandoer med omkring ti teraflops i sekundet. Til sammenligning opererer dagens skrivebordscomputere i hastigheder på blot gigaflops i sekundet.

Møtrikker, bolte og elektroner

Det lyder fantastisk, så hvorfor bruger vi dem ikke allerede? Svaret er, at som det ser ud nu, er hvad vi ville kalde en fungerende kvantecomputer, som ville være i stand til at løse reelle problemer, stadig urokkeligt forankret på skitseplanet.

For at se hvorfor det er så svært at producere en rigtig maskine, er vi nødt til at gå tilbage og kigge på det grundlæggende.

Elektroner, fotoner og atomer udgør kvantecomputerens hukommelse og processor. Disse danner de magiske qubitter. At forstå, bygge og manipulere disse qubitter er i virkeligheden den vanskeligste del af at få en kvantecomputer til at fungere.

Man kunne endda sige, at kvantecomputeren eksisterer i et univers parallelt til vores eget. Når computeren arbejder på et problem, du har givet den, udføres beregningerne inde i dette parallelle univers, indtil svaret vises.

Det stopper dog ikke her. Du kan ikke bare se svaret, når beregningen er færdig. Egentlig kan du overhovedet ikke se svaret, før du rent faktisk begynder at lede efter det. Når du så leder efter det, kunne du forstyrre kvantecomputerens tilstand og ende med at få et korrupt resultat.

Alle de parallelle beregninger, som kvantecomputeren udfører, udmunder faktisk ikke til et endeligt resultat, før du bevidst prøver at observere det. På nogle måder er det derfor ikke svaret i sig selv, som er vigtigt, men snarere hvordan du får fat i det. Det er kvantecomputerens observerende komponent, der udgør den største forhindring til faktisk at bygge en.

Fysikere henviser til dette problem som en ’sammenfiltring’, hvad Einstein kalder ’skræmmende funktion set på afstand’. Sammenfiltring er, dybest set, resultatet af at observere, hvordan en qubit opfører sig baseret på tilstanden af en anden qubit.

[pt id=’2007954′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Caltech forskere kortlagde forvikling til og fra forskellige kvantehukommelser.”‘]

Hvad der forårsager hovedpinen er, at så snart du kigger på en qubit, ændrer du dens tilstand, og hele systemet kollapser tilbage til at være en standard digital computer. Dette er kendt som ’dekohærens’ og er, hvad der gør observationer eller resultater, du kigger på, unøjagtige eller misvisende.

Af disse komplekse årsager og mange andre, er dét rent faktisk at bygge en fungerende kvantecomputer, som kan løse reelle problemer, langt fra nemt.

[pt id=’2007953′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Videnskabsfolk fra Wisconsin-Madison universitetet viste at de kunne bruge et atom til at kontrollere et andet. De håber at skabe logiske enheder svarende til transistorer i et elektronisk kredsløb.”‘]

Videnskabsfolk fra Wisconsin-Madison universitetet viste, at de kunne bruge et atom til at kontrollere et andet. De håber at skabe logiske enheder svarende til transistorer i et elektronisk kredsløb.

Hvis du bygger den…

På trods af vanskelighederne har der dog været fremskridt inden for flere af kvanteberegningens områder. Da en qubits tilstand i virkeligheden er udenfor det fysiske univers, kan kvantecomputeren fjerne sig fra klassiske computerdesign, der bruger transistorer forbundet med mikroskopiske tråde.

Moores Lov har indtil nu leveret massiv vækst i computerberegningskraft, efterhånden som transistorer og forbindelserne imellem dem bliver mindre for hvert år, der går.

Tingene er dog begyndt at ændre sig, og solid state kvantecomputere ser ud til at være parate til at lukke gabet mellem traditionelle transistorbaserede computere og deres kvante-kusiner.

I kvantecomputere udføres beregningerne ved en udveksling af information mellem individuelle qubitter. Denne informationsudveksling opnås ved hjælp af teleportation. Dette betyder ikke, at en qubit, såsom et atom eller en foton, bliver ’dematerialiseret’ a la Star Trek, men at den ene qubits egenskaber overføres til en anden.

Dette er sket ved universitetet i Wien og det østrigske akademi for videnskab. En lysleder blev brugt til at forbinde de to laboratorier, der lå adskilt fra hinanden på hver sin side af Danubefloden.

Laboratoriet kunne teleportere qubitter af information ved hjælp af en teknik kaldet ’polarisation’. Det lykkedes dem at udnytte sammenfiltringsfænomenet, hvilket betød, at to partikler var bundet sammen, mens de i virkeligheden var fysisk adskilte – den ’skræmmende funktion set på afstand’, som Einstein talte om.

Partiklerne eksisterede i et parallelt univers, hvor de var i stand til at ændre deres tilstand. Som følge deraf kunne de udveksle information, hvilket er lige præcis, hvad de skulle gøre for at lave meningsfyldte beregninger.

[pt id=’2007950′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Kvanteteleportering bliver en realitet med eksperimenter afsluttet af videnskabsmænd ved Innsbruck universitet.”‘]

Kvanteteleportering bliver en realitet med eksperimenter afsluttet af videnskabsmænd ved Innsbruck universitet.

Så hvor langt væk er vi fra at bygge fungerende kvantecomputere? Faktisk så har vi allerede konstrueret nogle af disse nærmest mytiske maskiner, selv om de kun har anvendt relativt få fungerende qubitter.

Det første eksemplar blev bygget i 1998 af videnskabsfolk, der arbejdede hos MIT og University of Waterloo. Den havde kun tre qubitter, men den viste, at kvantecomputerverdenen ikke bare var et eventyr, som videnskabsfolk fortalte deres børn.

To år senere blev en syv-qubit kvantecomputer, der brugte nuklear magnetisk resonans til at manipulere atomare kerner, bygget af Los Alamos National Labs. 2000 var også året, hvor IBM beviste, at de også kunne bygge en kvantecomputer. Dr. Isaac Chuang ledte holdet, der byggede en fem-qubit kvantecomputer, som gjorde fem fluor atomer i stand til at påvirke hinanden.

[pt id=’2007952′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Dr. Isaac Chuang sætter den lille glasbeholder indeholdende syv-qubit kvantecomputermolekylerne ind i det nukleare magnetiske resonansapparat.”‘]

Dr. Isaac Chuang sætter den lille glasbeholder indeholdende syv-qubit kvantecomputermolekylerne ind i det nukleare magnetiske resonansapparat.

Det følgende år kunne IBM endnu en gang demonstrere en fungerende kvantecomputer. Denne gang var firmaet i stand til at bruge Shors algoritme. IBM brugte en syv-qubit kvantecomputer til at finde faktorerne af tallet 15.

En mere kompleks kvantecomputer blev også bygget i 2006 af MIT og Waterloo, og i 2007 bragede et firma kaldet D-Wave ind på markedet, med hvad de kaldte verdens første 16-qubit kvantemaskine.

D-Wave mangler endnu at bevise, at deres system er en sand kvantecomputer (se boksen ’Den første kvantecomputer?’), men dette år så man også et hold på Yale bygge den første solid-state kvanteprocessor. Den superledende to-qubit chip var i stand til at udføre nogle grundlæggende beregninger.

Betydningen af denne udvikling af Yales videnskabsfolk er, at den viser, at kvantecomputere kan bygges ved at bruge elektronik, der ikke er ulig de komponenter, der findes i din skrivebordscomputer.

Yales system brugte kunstige atomer, der kunne placeres i den superpositionstilstand, kvantecomputere kræver. Inden denne udvikling kunne videnskabsfolk ikke få en qubit til at vare længere end et nanosekund. Til sammenligning varede Yale-qubitten i mikrosekunder. Dette er længe nok til at udføre beregninger, der giver mening.

Videnskabsfolk, der arbejder ved universiteterne i Manchester og Edinburgh, har kombineret bittesmå magneter med molekylære maskiner for at skabe, hvad der kunne ende med at blive byggesten til fremtidige kvantecomputere.

Professor David Leigh fra Edinburghs universitets kemi-fakultet sagde: »Denne udvikling bringer superhurtig, ikke-silicium-baseret beregning et skridt nærmere. De involverede magnetiske molekyler har potentialet til at blive brugt som qubitter, og at kombinere dem med molekylære maskiner gør dem i stand til at bevæge sig, hvilket kunne være nyttigt til at bygge kvantecomputere. Den store udfordring, vi nu står over for, er at føre mange af disse qubitter sammen for at bygge et apparat, der kunne udføre beregninger og at opdage, hvordan man kommunikerer mellem dem«.

Mens vi ser frem mod det mål, er kvanteprikker en af de mest lovende udviklinger inden for området. Disse er nano-konstruktioner lavet ud af halvledermateriale. Som sådan kan vi bruge mange af de teknikker, som vi nu bruger til at bygge traditionelle computere til at tæmme kvanteprikteknologi.

Det er måske muligt at producere kvanteprikker på omtrent samme måde, som vi nu producerer mikroprocessorer. Hvis teknologien var vellykket, kunne vi bygge kvantecomputere med så mange qubitter, som vi har brug for.

Som forholdene er, er det stadig for tidligt at lave komplette logiske kredse fra kvanteprikker, men teknologien ser sandelig meget lovende ud. De supercomputere, som vi har i dag, ligner kuglerammer, når de sammenlignes med den processorkraft, som kvantecomputere lover.

Med så mange forskellige fremgangsmåder, der bliver udforsket af videnskabsmænd, mangler den endelige fungerende udformning af kvantecomputeren at blive realiseret.

Hvad nyligt arbejde viser, er, at det er en realistisk ambition at bygge en kommerciel kvantecomputer i løbet af de næste få år. Når den kraft kommer, vil vi se et sandt kvanteskift i måden, vi alle manipulerer information på.

En hurtig guide til kvanteuniversets særegne egenskaber

Kvantemekanik beskriver det meget små; hvordan molekyler, atomer og subatomare partikler opfører sig. Forbundet med disse partikler er ideen, at masse kan eksistere både som partikler og som bølger – kendt som partikel-bølge-dualitet. I kvanteuniverset er sondringen mellem bølger og partikler så udvisket, at begges egenskaber virker indbyrdes udskiftelige.

Følgelig gælder fysikkens normale regler ikke i kvanteuniverset. Vi oplever alle klassiske fysiske love ved at eksistere i denne verden. De er, hvad der gør dig i stand til at samle dette magasin op.

Når du kigger nærmere på livets grundlæggende byggeklodser, såsom molekyler og atomer, behøver deres komponenter (protoner og elektroner) dog en ny type fysik til at beskrive dem. Dette er kvantemekanik.

[pt id=’2007949′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”Partikler i det subatomare univers kunne udgøre fundamentet for supercomputere”‘]

Partikler i det subatomare univers kunne udgøre fundamentet for supercomputere

Problemet med kvantemekanik er, at for at kunne bygge en computer baseret på dens principper, skal kvanteuniverset interagere med den klassiske fysiks univers. For øjeblikket er dette ikke muligt – i hvert fald ikke i den udstrækning, at vi kan udføre meningsfyldte beregninger.

Dobbeltspalte-eksperimentet (www.bit.ly/4DHFvW) og det velkendte eksempel med Schrödingers kat (www.bit.ly/f7NiF) viser dualiteten, som partikler på det subatomare niveau kan udvise. Så snart du faktisk observerer resultatet af en kvantecomputers beregninger, har du blandet dig i dens operation og derved gjort resultatet upålideligt.

Det er dette frustrerende paradoks, der holder kvantecomputervidenskabsfolk oppe om natten, mens de leder efter en løsning.

D-Wave Systems tror, at de har verdens første fungerende kvantecomputer – men har de det?

Kvantecomputere er blevet bygget før i tiden, men de er hovedsageligt blevet designet til at løse meget specifikke problemer (og havde ofte ikke meget beregnings-slagkraft).

I 2007 demonstrerede D-Wave Systems (www.dwavesys.com), hvad de påstod, var en fungerende 16-qubit kvantecomputer, der løste forskellige problemer, inklusive et sudoku-spil.

D-Waves erklærede mål er at bygge en kvantecomputer med over 1.000 qubitter inden for et par år. Beregningskraftniveauet ville helt sikkert gøre brugere i stand til at lave nyttige beregninger. Et problem er dog, at der stadig ikke er en universel definition på, hvad en qubit er.

D-Waves system kaldes en “adiabatisk” kvantecomputer. Det er dog endnu ikke afgjort, om dette virkelig er en fungerende kvantecomputer. Demonstrationen blev holdt for to år siden. Seth Lloyd fra MIT, som byggede et lignende apparat sidste år, fortalte bladet Technology Review: »D-Wave ser ud til at have forsømt at give håndfaste beviser på, at apparatet faktisk udfører en kvanteberegning«.

[pt id=’2007956′ size=’large’ link=’file’ html_attrs=’title=”D-Wave Systems 16-qubit kvantecomputer er genstand for megen debat.”‘]

D-Wave Systems 16-qubit kvantecomputer er genstand for megen debat.

D-Wave lancerede også AQUA (Adiabatic QUantum Algorithms; se http://aqua.dwavesys.com), et forskningsprojekt, som enhver kan blive involveret med. Projektet fungerer lige som SETI@home og det nylige BBC klimaforandringsprojekt. Ideen er, at din computer kan hjælpe med deres beregninger, og dine resultater vil blive sammenlignet med dem fra D-Wave kvantecomputeren.

Indtil tørre tal og demonstrationer dukker frem skal D-Waves dristige påstand, om at de er på nippet til at bygge en kommerciel kvantecomputer, dog tages med et gran salt.

Men det er et handlekraftigt firma med den nødvendige finansielle støtte, der er nødvendig for at udvikle ideerne, så hvem ved? Måske er et gennembrud virkelig bare lige rundt om hjørnet.

[themepacific_accordion] [themepacific_accordion_section title=”Fakta”]

Fakta

[/themepacific_accordion_section] [/themepacific_accordion]


TAGS
fysisk
kvanteberegning
supercomputer

DEL DENNE
Share


Mest populære
Populære
Nyeste
Tags

Find os på de sociale medier

Modtag dagligt IT-nyhedsbrev

Få gratis tech-nyheder i din mail-indbakke alle hverdage. Læs mere om IT-UPDATE her

Find os på FaceBook

AOD/AOD.dk

Brogårdsvej 22
DK-2820 Gentofte
Telefon: 33 91 28 33
redaktion@aod.dk

Audio Media A/S

CVR nr. 16315648,
Brogårdsvej 22
DK-2820 Gentofte
Telefon: 33 91 28 33
info@audio.dk
Annoncesalg:
Lars Bo Jensen: lbj@audio.dk Telefon: 40 80 44 53
Annoncer: Se medieinformation her


AOD/AOD.dk   © 2020
Privatlivspolitik og cookie information - Audio Media A/S