Kvantecomputeren trykker speederen i bund

Af Aksel Brinck, 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.

Kvantecomputeren er en umulighed. I hvert fald, hvis du er af den mening, at verden kun består af de ting, vi kan se, mærke og høre. For den mystiske computer, der længe har været udråbt som fremtidens computerløsning, bygger på processer, der er mere end mikroskopisk små – og så bizarre, at de ligner en dårlig forfatters science fiction-fantasier.

Det bizarre vender vi tilbage til. Men denne viden er ikke ny. Allerede i begyndelsen af forrige århundrede begyndte det at dæmre for fysikere, at der befinder sig en verden nede under det, vi kan se selv med mikroskoper – en verden, der er opbygget af små ”partikler”, atomer og elektroner, og at disse byggeklodser består af noget endnu mindre, protoner og neutroner, der igen består af kvarker. Længst nede i denne struktur findes måske vibrerende strenge, hvis frekvens og form definerer alt stof omkring os.

Nobelpristageren Niels Bohr var blandt pionererne inden for denne verden, kvantefysikken. Hvad den danske teoretiker kun anede, er siden blevet beregnet og udforsket af mange hundrede videnskabsmænd, og resultatet af denne forskning førte allerede i slutningen af 1960’erne til de første ideer om en computer, der kan udnytte verdens mindste byggesten.

Ikke blot et fantasifoster

Indtil for få år siden var kvantecomputeren et fantasifoster, en teoretisk mulighed, der skulle realiseres langt ude i fremtiden. Men gevinsten ved at bygge computeren er potentielt så stor, at den igennem de sidste år har affødt det ene forskningsprojekt efter det andet. De første forsøg på at bygge en kvantecomputer så dagens lys i midten af 00’erne, men i dag er en række store virksomheder stærkt engagerede i udviklingen af kvantecomputere. Blandt dem er IBM, Microsoft og Google, men også mange tekniske universiteter.

Men hvorfor denne interesse – hvorfor ikke bare nøjes med en god, gammel digital computer? Forklaringen er i sin enkelhed, at kvante-computeren kan gå hen og blive langt hurtigere end den traditionelle computer. Ja, faktisk er kvantecomputeren det eneste, mulige redskab, hvis man skal beregne funktionen af for eksempel komplekse molekyler eller enzymer. Der er et svimlende perspektiv i kvantecomputeren, også økonomisk.

Dette kredsløb fra Intel rummer 17 qubits, som er betegnelsen for kvantebit. I dag er Intel nået op på 49 qubits.

Da Intel på årets CES-messe annoncerede en kvantechip, som kan håndtere 49 kvantebit, i jargonen kaldet qubits, var det måske årets største teknologiske nyhed. Siden har IBM udsendt en pressemeddelelse, hvoraf det fremgår, at computergigantens testlaboratorium har udviklet en kvantecomputer med 50 qubits. Lige netop 50 qubits udråbes ofte som den øverste grænse for regnekraften i tradi-tionelle computerkredsløb. Med andre ord: Kvantecomputeren har nu i forsøgsopstillinger – i teorien – vist sit kolossale potentiale.

Løser energiproblemet

Der er en anden god grund til, at fremtiden kan blive nødt til at satse på kvantecomputeren. Det amerikanske teknologimagasin Wired beskrev i en artikel sidste år – med henvisning til en rapport fra den amerikanske branche-forening The Semiconductor Industry Association – at med den voksende mængde af traditionelle computere, vil vi allerede i 2040 ikke have energi nok til at drive alle klodens digitale processorer.

Teorien bag dette skrækscenarie blev udviklet allerede i 1961 af Rolf Landauer fra IBM Research, der beskrev, hvorledes hver eneste bit-operation har brug for et vist minimum af energi. Han foretog en teoretisk beregning af dette minimumsforbrug, og i marts sidste år påviste forskere, at det var muligt at lave sådan en minimumschip med traditionel teknologi. Men det vil tage lang tid, før sådan et kredsløb er monteret i almindelige bærbare computere, og selvom det skulle lykkes at få sat teknologien i produktion, vil energiforbruget for det samlede antal globale bits stadig ligge så højt, at vi ikke har nok af energi.

Universet er et holografisk billede

Den nonlokalitet, som kvantecomputere udnytter, er måske udtryk for et todimensionalt univers.

Kvantecomputere udnytter to af kvantemekanikkens bizarre naturlove. Den ene er superposition – det at en kvante først er i en bestemt tilstand, når den aflæses. Den anden er forvikling (entanglement) – det forhold at to helt adskilte kvantepartikler kender hinandens tilstand uden at være i kontakt, hvis de blot tidligere har været meget tæt på hinanden. I dag mener mange kvantefysikere, at disse mystiske fænomener skyldes, at vores verden ikke ser ud, som vi opfatter den.

Mange fysikere er af den opfattelse, at vores univers har en todimensional hinde eller overflade, hvorpå al information om universet er lagret. Under særlige omstændigheder udtrykker denne todimensionalitet i tre dimensioner. Det er, som om den verden vi ser, er et hologram på den todimensionale overflade. Dette er ikke en fantasifuld forestilling, men baserer sig på blandt andet observationen af den nonlokalitet, som kvantecomputere udnytter.

Partikler, som er adskilt i vores 3D-verden, har en tæt forbindelse i den omgivende 2D-overflade. Også udforskningen af sorte huller har understøttet forskernes holografiske teorier. Når stof falder ned i et sort hul, så øges entropien (uordenen eller variationen), og massen vokser. Det er ikke så mærkeligt.

Men når det sorte huls radius for eksempel fordobles (det tager milliarder af år), fordobles massen også. Hvis det var et tredimensionalt objekt, skulle massen ikke blot fordobles, men firdobles. Det er endnu et tegn på, at universet kan have en underliggende todimensional struktur, forklarer George Musser, journalist ved Scientific American, i bogen ”Spooky Action at a Distance”.

En kompleks kaffekop

Kvantecomputere bruger langt mindre energi. Eller rettere: De regner så hurtigt, at der ikke er brug for så mange computere. De er med andre ord løsningen på et truende energiproblem – som blev aktualiseret, da det i forbindelse med Bitcoin-boomet kom frem, at alene denne kryptovalutas transaktioner skaber et energiforbrug på størrelse med hele Danmarks forbrug.

Imidlertid er det ikke denne skjulte trussel, som i første omgang driver forskningen i kvantecomputere frem. IBM står bag dette eksempel på, hvilke udfordringer kvantecomputeren snart kan løse: Kig ned i din kaffekop. Den er fyldt med molekyler, herunder koffeinmolekyler. Et koffeinmolekyle er så komplekst, at der ikke findes nogen eksisterende, traditionel computer, der kan genskabe en komplet model af molekylet eller forstå molekylets struktur og egenskaber i alle detaljer. Sådan en traditionel computer vil heller aldrig nogensinde blive bygget. Det er denne type udfordringer, kvantecomputeren har potentiale til at tage kampen op med.

Hollandske QuTech er sammen med IBM og Google blandt de førende udviklere. Ved at udnytte særlige kvasipartikler har QuTech skabt stabile prototyper.

Kvantecomputeren kan løfte sløret for kompleksiteten i molekylære og kemiske reaktioner, hvilket kan føre til opdagelsen af nye medicinalpræparater og til nye materialer. Den kan også bruges til at skabe ultraeffektive logistiksystemer og forsyningskæder – det kunne være en optimering af den måde, hvorpå man styrer lastbilflåder, der kører rundt i Europa med pakker, gaveartikler og fødevarer i juletiden.

Computeren kan også hjælpe os med at skabe nye metoder til at modellere finansielle data og udpege globale nøglerisici og derved give en bedre styring af investeringer eller endda konjunkturer. Også sikkerhed og kryptering er hjemmebane for kvantecomputeren. Den medvirker til at øge sikkerhed, men den kan også bruges til at kryptere eller dekryptere ekstremt komplekse koder. Militæret vil være blandt de første kunder til operationelle kvantecomputere i klassen over 50 qubits.

Det mest oplagte område er dog nok såkaldt kunstig intelligens (også kaldet AI, dvs. Artificial Intelligence), hvor man udvikler it-systemer, der lærer af egne erfaringer, både fejlene og de succesrige beslutninger. Algoritmerne bag sådanne beregninger er af gode grunde komplekse, og de beregninger, der følger af algoritmerne og af de ydre påvirkninger, kan i princippet have en uendelig kompleksitet. Derfor er beregningshastigheden den begrænsende faktor ved AI. Her kommer kvantecomputeren som kaldet fra himlen.

Kvantecomputerens kredsløb er monteret på printkort som i traditionelle computere. Her er en IBM-ingeniør i færd med installationen.

Ubestemmelige bits

Men hvorfor er det så, at kvantecomputeren er så hurtig, at den overgår alt, hvad vi kender til i dag? Der er vi tilbage ved den bizarre, skjulte mikroverden, som vi alle sammen kan takke vores eksistens for – og hvis regelsystem står bag hele vores univers. Ja, faktisk er der nærmest et direkte link fra big bang og til kvantecomputeren.

For mere end 20 år siden bekræftede praktiske forsøg den teori, som Niels Bohr var en af foregangsmændene bag: At hvis du måler en kvant, så påvirker du den til at vælge tilstand. Men ikke nok med det. Du kan få to kvanter, for eksempel to fotoner, til at oplyse samme information om deres tilstand, selvom de befinder sig langt fra hinanden og ikke kan kommunikere med hinanden. Denne form for nonlokalitet er ikke noget, vi kender til i vores ”store verden”.

Her kan du ikke formidle information eller påvirke nogen personer (eller ting) uden at røre ved dem, ringe til dem, skrive til dem eller på anden vis have en direkte kontakt med dem.

Sådan er det ikke i kvanteverdenen. Forsøgene har vist, at hvis du for eksempel sender en lyskvante, en foton, gennem en krystal (i form af en laserstråle) kan du splitte fotonen op i to fotoner. Den ene foton i parret kan nu fjerne sig fra den anden – måske nogle meter, måske mange hundrede kilometer, ja, i princippet uendelig meget længere væk, og alligevel ”snakker” de to fotoner tilsyneladende sammen.

For hvis du lader en detektor aflæse både den ene og den anden fotons tilstand, for eksempel deres spinretning, så vil de være helt ens.Fysikkens love bag disse kvanter siger ellers, at de aldrig befinder sig i nogen bestemt tilstand – de er ubestemte – og at deres tilstande først afsløres, når den ”aflæses”. Alligevel ved den ene kvante på afstand, hvad den anden kvante viser. Det er dette mystiske fænomen, som udnyttes i kvantecomputere.Det er kun fotoner, atomer og andre par-tikelelementer, som har været tæt på hinanden, der kan udføre dette trick. De skal være forviklede – på engelsk ”entangled” – for at kende hinandens information på afstand.

Kvanter er ikke som bits i traditionelle computere enten 0 eller 1, altså to helt bestemmelige tilstande. I kvantecomputere er de i en såkaldt superposition, hvor de er både 0 og 1 og alt derimellem på én gang. En qubit har med andre ord en langt større informationsdybde end en traditionel bit.

Når man ikke for længst har udnyttet dette fænomen og allerede skabt en helt ny art af ekstremt hurtige computere, skyldes det, at nonlokalitet, superposition og forvikling er skrøbelige fænomener. På dette mikroplan kan alle mulige forstyrrelser udefra ødelægge processerne – for eksempel elektriske felter. Derfor kræver de kvantecomputerkredsløb, man opererer med i dag, mange forholdsregler, herunder superledere uden elektrisk modstand.

For at en elektrisk leder kan droppe den elektriske modstand, skal den køles kraftigt ned. I kvantecomputere er man helt nede på 15 milliampere over det absolutte nulpunkt, det punkt, hvor temperaturen ikke kan blive lavere, fordi molekylerne holder op med at vibrere. Denne temperatur er faktisk koldere, end der er ude i verdensrummet.

Ikke i din næste mobil

Kvantecomputere er med andre ord ikke noget, du skal regne med at finde i din mobiltelefon inden for de første mange årtier. Men det er heller ikke ideen med dem. Allerede i dag findes der kvantecomputere, du kan tilgå fra nettet. De er ikke så lynhurtige, som de seneste annonceringer fra Intel og IBM, men de giver mulighed for at afprøve teknologien (se boks nederst til venstre).

Også i fremtiden vil der formentlig være ret få kvantecomputere spredt ud over kloden, og de vil på for eksempel lejebasis tilbyde at bearbejde komplekse data for institutioner og virksomheder. Nogle af de største virksomheder vil måske selv købe en af de nye dataknusere.

I 1958 sagde IBM’s bestyrelsesformand Thomas Watson, at verden ville kunne nøjes med fem computere. Det kom ikke til at passe, slet ikke, men med kvantecomputeren er vi efter alt at dømme tilbage i en mere centraliseret computermodel, end vi ellers har i dag. For den er skrøbelig, krævende og ikke helt billig at fremstille og drive. Mere end fem stk. skal det nu nok blive til.