Artikel top billede

(Foto: Computerworld)

Kvantecomputerne er her nu...

De første kvantecomputere bliver nu leveret til forskere og supercomputer-centre. Lad os se, hvad vi skal stille op med dem, og hvad de faktisk kan.

Af Torben Okholm, 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.

Kvantecomputere er en af de teknologier, som hele tiden synes at vente i horisonten – ligesom den flyvende bil eller en iPhone, der holder en hel dag på en enkelt opladning. Nye udviklingstrin kommer og går, pressemeddelelser bliver udsendt, og hver gang lyder det hele endnu mere forrykt end forrige gang – men håndgribelige resultater? Dem ser vi øjensynlig aldrig noget til.

En af kvantefysikkens store navne, amerikaneren Richard Feynman, var blandt de første, der talte om en kvantecomputer, og på grund af hans interesse for samspillet mellem fysik og computere bliver han ofte tilskrevet et bestemt citat, som er meget dækkende: “Hvis man tror, at man forstår kvantemekanik, forstår man den ikke.”

Det samme kan man med sindsro sige om kvante-computere. Her er der så mange nye begreber og variabler, at det virker umuligt for en enkelt menneskelig hjerne at omfatte dem alle. Den omstændighed, at så mange af dem lyder som science fiction, er måske en af de ting, der virker så tiltrækkende.

De mange forsøg på at løse det samme problem holder interessen i live, og vi forudser endeløse debatter mellem videnskabsfolk om, hvem der er bedst, Intel eller AMD, og om kryogen-køling virkelig kræver alle de rgb-lys. Det betyder også, at vi har set en række pressemeddelelser og fremvisninger på det seneste, fordi det arbejde, der blev hæmmet af pandemien, begynder at bære frugt.

Termodynamikken bliver nok udfordret ...

Tænk på tidskrystaller. Det kan godt være, at det lyder som noget, kong Zog I af Albanien udtænkte, men den er god nok: Google har lavet tidskrystaller ved hjælp af en kvantecomputer. Der er imidlertid ingen grund til at være bange for dem. En tidskrystal kan have praktiske anvendelser som kvantehukommelse eller som en følsom detektor til kvantefelter.

Man skal forestille sig et system af partikler i dets laveste energitilstand, hvilket betyder, at det ikke kan afgive mere energi til omgivelserne, men det er stadig i bevægelse. Disse partikler kan ikke finde ro, fordi de allerede befinder sig i deres kvante-mekaniske grundtilstand – normalt ville de være ubevægelige, men de bevæger sig alligevel. Det lyder som en evighedsmaskine, der løber om hjørner med termodynamikkens anden lov, men det er blevet demonstreret af et hold fra Stanford, MIT og Google ved hjælp af Googles Sycamore-kvanteprocessor.

At systemet er i bevægelse, betyder, at det kan skifte mellem to tilstande uden at miste energi. Det svarer i teorien til et pendul, der aldrig holder op med at svinge. Fysikeren Frank Wilczek fra det amerikanske tekniske universitet MIT har ikke selv været involveret i arbejdet, men han fremsatte en hypotese om tidskrystaller i 2012.

“De kan være følsomme prober af visse former for eksterne felter, og derfor vil de i princippet give os nye former for umådelig følsomme enheder,” sagde han til New Scientist.
En anden omstændighed ved kvante-computere er, at der findes så mange forskellige tilgange.

Det er ligesom, hvis de første pionerer inden for cpu’er ikke kunne blive enige om det materiale, de skulle lave transistorer af, og i stedet delte sig op i flere fraktioner: En brugte silicium, en anden brugte lysende æter, og en tredje brugte ost. Når det gælder kvantecomputere, diskuterer man stadig, hvilken metode der er den bedste.

Googles Sycamore-computer er et eksempel på en form for processor, den superledende kvanteprocessor. Det er den form for teknologi, man oftest forbinder med kvantecomputere, og den kræver kølesystemer, der nedkøler delene til en brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt.

Under disse vilkår bliver de såkaldte qubit – kvanteækvivalenten til bit i en klassisk cpu – til superledere, hvor elektronerne flyder frit, hvorved man opskalerer kvantemekanikkens ejendommelige adfærd og sætter computeren i stand til at fungere.

Man bruger mikrobølgepulser til at vibrere qubit, og når to nærtstående qubit når den samme frekvens, bliver de filtret sammen. Det indebærer, at hvis man måler den enes tilstand, kender man også den andens. Einstein gjorde grin med denne ide og afviste den som “uhyggelig handling på afstand”, men efter hans død har man påvist, at der er tale om et ægte fænomen.

Der skal være stille

Der er endnu en grund til at holde en computer afkølet: Det blokerer for påvirkningen fra den omgivende verden. Støj er kvantecomputerens store fjende, og støjfri, fejlkorrigerede qubit er dens hellige gral. Det betyder ikke, at støjende qubit ikke kan anvendes.

Google har kunnet påberåbe sig kvanteoverlegenhed (det, at en kvante-computer løser en opgave, som ingen klassisk computer kunne løse inden for et overskueligt tidsrum) med sin Sycamore-chip i oktober 2019, selvom dens 54 qubit (der skulle have været 55, men en gik i stykker) ikke er fuldt fejlkorrigerede.

Google hævdede, at firmaets computer kunne udføre en vilkårlig stikprøveberegning, hvor den verificerer, at en liste over tal er blevet vilkårligt genereret, på tre minutter og 20 sekunder. Denne opgave ville have taget IBM’s Summit, den stærkeste klassiske supercomputer, over 10.000 år.

IBM var ikke enig og viste, at man ved at ændre programmet kunne få Summit til at gøre det på to en halv dag. IBM anførte desuden, at der var tale om et fiktivt problem med meget lille relevans i den virkelige verden, og at det var konstrueret med henblik på at udnytte kvanteprocessorens styrker.

Man kan ikke kalde en 54-qubit-kvante-computer en universel computer, som vores pc’er er – det ville kræve op mod en million qubit – og derfor dækker Googles påstand kun kvantefordelen ved bestemte beregninger, ikke fuld overlegenhed.

Naturligvis erklærede Google sig uenig i den betragtning, og hævdede, at eftersom Sycamore stadig var hurtigere, havde man opnået overlegenhed. “Sputnik præsterede heller ikke ret meget,” sagde Hartmut Neven, der er chef for Googles Quantum Artificial Intelligence Lab, under et pressemøde. “Den fløj rundt om Jorden. Men det blev begyndelsen på rumalderen.”

En gruppe fra Kinas universitet for videnskab og teknologi har også påberåbt sig overlegenhed med en fotonisk kvantecomputer, som bygger på lysets egenskaber og bruger fotoner og strålesplittere til at opnå kvantesuperpositioner. Med den udførte man en gaussisk bosonprøvetagning af 76 fotoner på 200 sekunder.

Denne opgave er så kompleks, at man har anslået, at en klassisk supercomputer skulle bruge en halv milliard år på at gøre det samme. Den kinesiske artikel Quantum computational advantage using photons blev bragt i tidskriftet Science i december 2020. Igen er der tale om en beregning, som ikke hjælper med nogen opgave i den virkelige verden. Den er beregnet til at vise styrken ved en kvanteprocessor.

Hvad kan man udrette med en kvante-computer i øjeblikket? Man kunne lære Qiskit, IBM’s Python-baserede open source-SDK, at arbejde med kvantecomputere. Alle algoritmer, som man udvikler i Qiskit, kan køre på enten en kvantesimulator eller en rigtig kvantecomputer, som man kan få adgang til via skyen.

Tanken er, at folk skal lære det grundlæggende ved kvantecomputer-modeller nu, mens maskinerne er i deres prototypefaser, før de slipper deres viden løs på de færdige maskiner, når de bliver tilgængelige.

En maskine, der er på vej til at komme online, står på Pawsey Supercomputing Centre i Kensington ved Perth i delstaten Western Australia. Quantum Brilliance er en venturekapital-baseret aflægger af Australian National University, og firmaet har udviklet en kvantecomputer, der arbejder ved stuetemperatur. Den består af kunstige diamanter, og i sammenligning med de superkølede giganter hos Google og IBM er den imponerende lille.

Marcus Doherty

“I dag er den et rack på 19 tommer,” siger Marcus Doherty, der er en af grundlæggerne af Quantum Brilliance, om firmaets aktuelle to-qubitsystem. “I løbet af de næste fem år vil den skrumpe ind til noget på størrelse med et grafikkort, og den vil være skaleret op til omkring 50 qubit.”

Kvantecomputer som rack

Det er imponerende småt, og det slår den forrige rekordholder, en trapped-ion-computer med masser af lasere. Den blev bygget i Innsbruck i Østrig, og her vred man 24 qubit ind i to serverracks. Her har vi tidshorisonten igen – ikke nu, kommer snart – men Quantum Brilliance ville have haft noget at vise frem i dag, hvis det ikke havde været for covid-19. Hvad vil den kunne gøre, når den kommer i gang?

“Det er en funktionel kvantecomputer, men dens formål er ikke nødvendigvis at løse denne verdens problemer. Sigtet er snarere at lære folk at integrere kvantecomputere i deres klassiske computersystemer og finde ud af, hvordan man for alvor får dem til at virke. På den måde bliver kommende generationer oplyst om kvantecomputere,” siger Doherty.

Kvantecomputer som kort

Begrebet “gpu” dukker ofte op i samtalen med Doherty. Forventer han, at en fremtidig “qpu” bliver udbredt?
“Forskellig computerhardware egner sig til forskellige former for beregningsopgaver.

Kvantecomputere rummer fordele ved visse opgaver, som er svære for gpu’er, og derfor bliver fremtiden for computere heterogen med forskellige typer acceleratorer, der samles om at udføre forskellige opgaver. Det er et spørgsmål om at bruge den bedste hardware til at optimere bestemte applikationer.”

I Dohertys tilfælde består denne hardware af syntetiske diamanter. Hvor andre bruger ekstrem kulde eller en kombination af lasere og magnetfelter til at adskille deres qubit fra resten af universet, klarer den rigide struktur i diamantens kulstofgitter opgaven.

“Vi ved alle, at diamant er et ekstremt hårdt materiale, og en af fordelene ved at være et meget hårdt materiale er, at selv ved stuetemperatur er der ikke nok varmeenergi til at udløse signifikante vibrationer i diamanten. Og vibrationer er den vigtigste årsag til, at en qubit kan opnå kvantedekoherens. Og fordi der er så meget mindre vibration, er der meget mindre dekoherens, hvilket betyder, at vi kan observere, manipulere og betjene vores qubit ved stuetemperatur. Vores fremgangsmåde er mere i tråd med klassisk computerarbejde i den forstand, at vi har qubit, vi koder information på dem, vi manipulerer den information og aflæser den.”

Der er imidlertid en smule andet end ikke-vibrerende kulstofatomer i disse diamanter. “Vores qubit er associerede med kvælstofatomer, der bor inden i noget, vi kalder et kvælstof-ledighedscenter.” Forestil dig en perfekt diamant med et komplet kulstofgitter. Erstat så et af kulstofatomerne med et kvælstofatom. Enkelt, ikke sandt?

Dette center har en nyttig egenskab: Det er fotoluminescent (det udsender lys, når det bliver stimuleret), og det gør, at fysikerne kan aflæse atomets spin-tilstand. Og hvordan gør man det? Doherty igen: “Via lyset. Kvælstof-ledighedscentret har en bemærkelsesværdig egenskab: Den mængde lys, som det udsender, afhænger af spin-tilstanden. Det er klarest, når det er i én tilstand, og mørkest, når det er i en anden. Det er endnu et af naturens vidundere.”

Dohertys tilgang til kvantecomputere indebærer at tage disse ikke-vibrerende diamantstykker og vibrere dem en lille smule:
“Vi er nødt til at oprette en ultrapræcis række af disse centre i diamanten, således at vi har avancerede fabrikationsteknikker til at lave ingredienserne. Så snart de er i denne række, kan vi manipulere dem ved hjælp af mikrobølger og radiobølger, således at de bliver sammenfiltret. Og dernæst kan vi manipulere denne sammenfiltring og dermed bearbejde information.”

Et spørgsmål om Timing

Et andet eksempel på det timingproblem, som arbejdet med kvantecomputere lider under, udspringer af IBM’s forsøg på at bruge en kvantecomputer til at udvikle nye materialer til batterier. Vores nuværende litiumbatterier er ganske udmærkede, men udvinding af litium og de elementer af kadmium og nikkel, som også indgår i genopladelige batterier, er en hård belastning for miljøet og for dem, der foretager udvindingen.

IBM Quantums Gavin Jones, der har ledet meget af IBM’s forskning i batterikemi, leverede noget af en underdrivelse i løbet af et webinar på IBM’s YouTube-kanal:

“Kvantekemi er kompliceret. Vi har udført mange former for simulationer, men kvante-kemi, som den bliver praktiseret i dag på klassiske supercomputere, døjer med mange problemer. Det har navnlig at gøre med metodernes nøjagtighed og med, hvor nemt vi kan udføre disse simulationer. For eksempel er en af de mest udbredte metoder en tætheds-funktionel teori, men vi skal omhyggeligt evaluere metodernes nøjagtighed ved benchmarking, og det tager tid.”

IBM-ingeniører i færd med at installere System One-kvantecomputeren i det tyske Fraunhofer-Institut.

Der knytter sig et andet problem til denne form for simulation: Nogle simulerer ikke troværdigt partikler med eksotiske eller elektroniske egenskaber såsom radikaler, biradikaler og uparrede elektroner, som man finder i batterier. Jones fortsætter:

“Vi kan lide at bruge mere nøjagtige metoder såsom bølgefunktionsmetoder til at studere de elektroniske strukturer i disse former for systemer, men de kan være meget kostbare i kraft af den krævede hukommelse og den tid, der er fornøden til beregningerne. Vi tror på, at kvantecomputere vil kunne hjælpe os med at udføre beregningerne mere effektivt.”

Hele ideen er, at hvis man kan simulere interaktionerne mellem alle elektronerne på ydersiden af atomerne, og hvordan de knytter sig til andre, når de reagerer, så kan man potentielt lave et nyt materiale, der vil have bedre egenskaber end litium, kobolt eller nikkel, når vi skal fremstille fremtidens laptopbatterier.

Eksisterende kvantecomputere, i hvert fald dem, der bliver produceret af IBM, lever ikke helt op til kravene. Med Jones’ ord:

“Vi har haft en vis grad af succes, men der skal stadig gøres noget. Vi har udviklet adskillige teknikker til fejlreduktion såsom støj-ekstrapolering og også strategier til at reducere antallet af qubit, der skal til for at simulere større molekyler og udnytte symmetri og frosne kerner.”

De inddrager også hybridsimulationer, der bliver afviklet dels på klassisk computerhardware, dels på ægte kvantehardware. Det er dog en udfordring, at der stadig er brug for at udvikle bedre kvantealgoritmer og skabe forbedringer af hardwaren. Som Jones udtrykker det:

“De største udfordringer er, at vi skal udvikle og bruge bedre kvantealgoritmer. Eftersom vi har et begrænset antal qubit, er vi afhængige af algoritmer, hvor man kan køre et kvantekredsløb hundredvis – hvis ikke tusindvis – af gange for at opnå de ønskede statistikker. I øjeblikket kan vi kun udføre beregninger af små kemiske systemer, eller vi kan studere systemer, hvor vi begrænser antallet af orbitaler, der bliver brugt, med henblik på at få dem over på færre qubit. Udvikling af bedre kvantehardware og teknikker til fejlkorrektion, eller fuldt fejl-
tolerante qubit, ville være en stor hjælp.”

Støjende kvanter

Andetsteds hos IBM er disse ting under udarbejdelse, dels som kvantesimulatorer, der bruger klassiske computere til at simulere virkningerne af kvantemekanik, dels som ægte kvantecomputere. Kvantekemi, altså den form for simulationer, man skal foretage, hvis man vil afdække egenskaberne ved nye materialer til batterier eller nye lægemidler, indebærer simulering af atomerne i et molekyle.

Ivano Tavernelli er global leder af afdelingen for avancerede algoritmer på IBM’s forskningslaboratorium i Zürich, og han forklarer sit arbejde:

“Der er tale om metoder til at afdække den elektroniske struktur. Vi præsenterer et vandmolekyle som ét iltatom og to brintatomer, og derefter vil vi vide mere om systemets energi eller de kræfter, der indvirker på kernerne. For at gøre det skal vi løse Schrödingers ligning (se boksen på næste side), og det kan man gøre med klassiske computere, men udgiften stiger eksponentielt med et stigende antal elektroner."

“Vi gør det, at vi kortlægger dette problem i en kvantecomputer – vi løser et problem, der af natur er kvant, ved hjælp af et sprog, der også af natur er kvant. Vi prøver at optimere vores algoritmer, så de bliver i stand til at foretage beregningerne på det, vi kalder near-term-kvantecomputere. Det vil sige computere, som endnu ikke er blevet fejlkorrigeret, og som derfor ikke er helt fejltolerante. Vores mål er at vise potentialet for en kvantefordel ved at bruge denne form for maskiner, før vi får fejltolerante maskiner.”

Den sære kvanteverden

Vi kan bebrejde Max Planck alt det her. Hans opdagelse af energi-kvanta – ideen om, at for eksempel lys ikke er en konstant kraft, men en strøm af små klumper – skaffede ham Nobelprisen i 1918. Det åbnede for hele diskussionen om kvante-mekanik, og her finder man navne som Bohr, Fermi, Schrödinger, Pauli, Heisenberg and Einstein.

Einstein modtog faktisk Nobelprisen for opdagelsen af den fotoelektriske effekt i 1921, ikke for hans mere berømte teorier om relativitet. I kvanteverdenen opfører partikler sig både som punkter og bølger på samme tid, idet størrelsen af bølgerne i et hvert givet område repræsenterer sandsynligheden for at finde en partikel det pågældende sted.

Kvantecomputere er afhængige af disse ejendommelige egenskaber ved subatomare partikler, når de skal lave beregninger, som ingen klassisk computer kan klare, og de bruger qubit i stedet for bit. Disse qubit kan sættes til 1, 0 eller begge dele på samme tid – det sidste kaldes superposition. De skal ofte køles ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt for at minimere virkningen af støj eller interferens udefra på beregningen.

Hele dette område er i sin vorden, men det fungerer bedst på algoritmer, som er specielt udviklet til formålet. Kvante-overlegenhed, hvor en kvantecomputer demonstrerer evner, som ingen klassisk computer kan leve op til, er blevet annonceret. Alligevel er der endnu ikke noget klart eksempel på en fuldt fungerende kvantecomputer. Vi er endnu langt fra at kunne indføre anvendelige kvantecomputere, som kan erstatte vores pc’er.

Det lader til, at en støjende kvantecomputer er bedre end ingenting, men arbejdet på at reducere støjen fortsætter. Tavernelli fortsætter:

“Der er to strategier. Den ene er at blive ved med at forbedre hardwaren og reducere mængden af støj i qubittenes operationer og i målingerne af resultaterne. Den anden er at bruge korrektionsprocedurer, således at vi kan foretage algoritmiske korrektioner af de beregninger, vi foretager med støjende enheder.”

Ivano Tavernelli

Tavernelli har også en rystende nyhed til dem, der bruger 2- eller 50-qubit-maskiner: De er snart forældede. “I øjeblikket skal vi bruge omkring 1000 fysiske, støjende qubit til at lave en enkelt fejlkorrigeret logisk qubit.” IBM’s plan er at lære af det, vi kan i øjeblikket, og derefter prøve at konstruere sådan en enhed i den nærmeste fremtid. “Det kommer til at ske omkring 2027. Vi når op på tusinder af qubit, og derefter kan overgangen fra støjende til fejltolerante maskiner begynde.”

Det lyder som en afgørende tærskel, der skal overskrides.
Men hvad sker der så?
“Hvis alt går glat, siger vores teori, at disse maskiner kan korrigere alle de fejl, der vil forekomme, og derfor er der ingen grænser. Selv når vi kan demonstrere kvantefordel, vil det gælde for mange anvendelsesområder, at en kvantecomputer ikke kommer til at erstatte en klassisk maskine. Vi kommer aldrig til at se en kvantelaptop, i hvert fald ikke i min levetid. Men der vil være mange områder, hvor kvantecomputeren markant vil forbedre fundamental fysik, optimering og maskinlæring. Derfor bliver det muligt for os at gøre ting, der i dag er umulige blot at overveje, på grund af den eksponentielle karakter.”

Partikelsmadring med lysets fart

Den udvikling vil måske betyde, at kvante-computere kan bearbejde enorme datasæt som dem, der bliver produceret af partikel-acceleratoren Large Hadron Collider. Den består af en gigantisk ringformet tunnel med en omkreds på 27 kilometer, som befinder sig dybt under den fransk-schweiziske grænse, og den producerer omkring 90 petabyte data om året, og mindre end én procent af disse data bliver nogensinde iagttaget.
Tavernellis kollega Panagiotis Barkoutsos, der også arbejder hos IBM i Zürich, forsøger at bruge eksisterende kvantecomputere til at håndtere dette problem.

“Det mål, der er blevet sat, er, at vi vil finde frem til fysik, som kan konkurrere med eller gå videre end standardmodellen (den teori, der beskriver tre af de fire kendte fundamentale kræfter, som udgør universet, og som ikke i øjeblikket omfatter tyngdekraft), og det foregår ved eksperimenter i Large Hadron Collider. Mængden af data, der bliver produceret fra et eksperiment, er enorm, og det oplagte spørgsmål er: Kan kvantecomputere være med til at bearbejde alle disse data mere effektivt?”

Kvantefysikeren Maika Takita fra IBM i Thomas J Watson Research Center IBM Quantum Lab.

“Vi bruger ikke ord som fordel eller overlegenhed. Når det gælder data, består kvante-fordelen nemlig i at have en meningsfuld simulation, som bliver foretaget hurtigere og bedre,” siger Barkoutsos. Han og hans kolleger har arbejdet med gamle data, der er knyttet til produktionen af Higgs-partiklen, der er en af CERN’s største opdagelser.

Denne partikel er knyttet til et fundamentalt felt, som giver andre partikler deres masse. Jo mere en partikel interagerer med Higgs-feltet, desto tungere er den. Partiklen er en synlig manifestation af feltet, ligesom en bølge på havets overflade.

IBM’s forskere har gennem deres arbejde vist, at “kvantemaskinlæring i en kontekst af vektorer kan fungere lige så godt som dens klassiske modstykker kan,” siger Barkoutsos.
“Vi laver eksperimenter ud til 15 qubit, og vi skal også bruge en 27-qubit-enhed. De algoritmer, som vi i øjeblikket udvikler, er beregnet til at blive brugt på near-term-computere.

Hvis vi havde en fejltolerant kvantecomputer, var vi nødt til at tænke på en anden måde. Når der findes fejltolerante kvantecomputere, vil vi kunne gentænke algoritmerne og gentænke den måde, vi gør tingene på, og gå videre end det, vi allerede har opnået.”

Er det frugtesløst?

Alle dem, vi har talt med i forbindelse med denne artikel, virker overbeviste om, at forskning i kvantecomputere vil fortsætte, og at det på et tidspunkt vil lykkes. Der er imidlertid andre, som har ytret bekymringer for, om støjproblemet nogensinde bliver løst. De mener, at en fuldt fejltolerant kvantecomputer måske aldrig ser dagens lys, og at de computere, som eksisterer i dag, ikke er så imponerende, som mange tror. En af dem er Isaac Chuang fra Massachusetts Institute of Technology:

“Kvantecomputere i dag er i realiteten helt ubrugelige set fra et praktisk standpunkt. De duer kun til at skabe opmærksomhed.”
En artikel i New Scientist fra august 2021 indeholdt ikke blot det ovennævnte citat fra Chuang, men også bidrag fra to andre professorer. Gil Kalai er matematiker på Hebrew University i Jerusalem, og han siger: “Min analyse konkluderer, at god fejlkorrektion ikke bliver mulig.”

Sabrina Maniscalco fra Helsinkis universitet i Finland ser sådan på spørgsmålet:“At finde en løsning på virkningen af den støj, der kommer fra omgivelserne, er ikke kun ... et teknologisk problem, men snarere et konceptuelt og fundamentalt spørgsmål. Jeg vil sige, at jeg er håbefuld, men sikker er jeg ikke.”

IBM’s superfryser bliver brugt til at holde kvantechips nede på en temperatur, der er lavere, end der er i det ydre rum.

Tavernelli fra IBM giver sig ikke så let: “Hvad nu, hvis jeg fortæller dig, at der ikke er nogen fysisk lov, som siger, at vi ikke kan overvinde støjproblemet? Der er intet bevis for, at vi ikke kan opnå fejltolerance. Det er en vanskelig mission, det er der ingen tvivl om. Derfor er vi måske nødt til at sænke farten; vi skal måske fortsætte på en måde, som er svær at praktisere i et eksperiment, men en ting står fast: Der er ingen lov, der fortæller os, at vi ikke kommer til at overvinde støjproblemet.”

Tavernelli lyder unægtelig mere positiv end visse af kollegerne:
“Selvom der ikke findes nogen sådan lov, tror jeg ikke på, at vi nogensinde vil kunne have én enkelt qubit stående uden støj. Det er derfor, der findes korrektionsprocedurer, som viser, at vi kommer til at have fysiske qubit, som kan kortlægges ind i en logisk qubit, og vi får mere avancerede korrek-tionsprocedurer, der viser, at vi kommer til at forbinde forskellige fysiske qubit én og én og dermed oprette en logisk qubit, som er selvkorrigerende i kraft af fejlkorrektionsprocedurerne. Der bliver muligvis brug for et stort antal qubit, som skal til for at generere en enkelt logisk qubit, men ikke desto mindre får vi én informationsenhed, som bliver selvkorrigerende,” siger han.

Doherty forudser andre problemer: “Den store fordel ved kvantecomputere er, at man med færre ressourcer kan manipulere større mængder information mere effektivt. Det skyldes, at man kan kode mere information over på færre ressourcer. Muligheden for at kode mere og manipulere mere udspringer af to fysiske egenskaber.

Den første er kvante-superposition, som folk ofte beskriver som det at være to steder på én gang. Den anden er sammenfiltring. Det er det, Einstein kaldte “uhyggelig handling på afstand”, altså at man kan have to ting korreleret med hinanden, selvom de ikke nødvendigvis er i nærheden af hinanden. Man skal kunne sammenfiltre qubit for at opnå de fulde fordele af kvante-computere. Men nu kommer der et stort “men”:

Man kan ikke få al informationen ud på én gang. Man kan aldrig få mere end en vis mængde, og det er djævelen i kvantemekanik. Det betyder, at i modsætning til en klassisk computer, hvor man kan læse informationen i dens helhed, kan man med en kvantecomputer kun få en del af informationen ud.

Det betyder, at kvante-computere bygger på sandsynligheder og statistik. Kunsten at lave kvantealgoritmer – der ikke er let, og vi, det store “vi”, ved endnu ikke, hvordan vi skal gøre det godt – består i at lave noget, hvori man kan manipulere information effektivt, men også samle den i en form, som man kan få effektivt ud, og det er ofte det sværeste af det hele.”

Kommerciel anvendelse

Selvom Tavernelli ikke tror på, at vi kommer til at se en kvantelaptop, spreder IBM sine kvantecomputere over hele verden. Det foregår fra IBM Quantum System One på det tyske Fraunhofer-institut, der er en forskningsorganisation, som fokuserer på anvendt videnskab, altså på faktisk at lave ting. System One indeholder en Falcon-superledende processor på 27 qubit, og den skal bruges til at “løse større problemer for erhvervslivet og samfundet,” ifølge instituttets pressemeddelelse.

Lige i øjeblikket minder kvantecomputere meget om System One, der følger supercomputer-modellen til at få adgang via klassiske computere, slutte dem sammen for at opnå flere indgangspunkter, og bruge den kostbare maskintid effektivt.

Doherty forestiller sig kvante-datacentre og sågar kvanterobotter: “I princippet kan vores kvantecomputere være hvor som helst. Vi mener, at der findes mange vigtige muligheder inden for robotter, autonome systemer og rumsystemer. Vi ser i stigende grad autonome systemer og robotsystemer holde deres indtog i vores hverdag, når det gælder arbejde og underholdning, og de bygger mere og mere på fænomener som AI og maskinlæring. Derfor kommer vi måske til at se kvantecomputere, der opfylder disse computerbehov i vores hjem.”

Hvad er det så lige ved AI-opgaver, der gør dem så egnede til kvanteprocesser? Det virker, som om det er noget helt andet end at simulere elektroner. Med Dohertys ord: “Afhængigt af, hvordan man konstruerer sit workflow med AI, er der sommetider tilfælde, hvor man bearbejder et billede eller en video, eller man lytter til en persons stemme, og man skal forudse, hvad der vil ske, og i hvilken rækkefølge. Maskinlæring er meget præcis, når det gælder om at uddrage og gætte, hvad der sker på et givet tidspunkt, men klassiske computere finder det meget svært at gætte “hvad er det mest sandsynlige begivenhedsforløb?”.

Men en kvantecomputer er ret god til at forudse, hvad der sker.
Der er mange nye gennembrud inden for kvantecomputere. I august 2021 meddelte det japanske Riken Center for Emergent Matter Science, at man havde demonstreret et siliciumbaseret system med tre qubit, der viser, at sammenfiltring er mulig over tre qubit, hvilket gør for eksempel fejlkorrektion og opskalering af antallet af qubit nemmere.

Schrödingers kat er død og i live

Erwin Schrödinger er måske bedst kendt i populærkulturen for sin kat, men han var en østrigsk fysiker, der modtog Nobelprisen, og som var med lige fra begyndelsen af kvanteforskningens historie.

Hans ligning er kvantemekanikkens svar på Newtons anden lov – den, der lyder “kraft = masse gange acceleration”. Newtons lov forudser, hvordan et fysisk system vil bevæge sig med tiden, og Schrödingers ligning gør det samme for et isoleret kvante-system.

Ud fra en kendt række grundbetingelser kan den forudse forløbet af et systems bølgefunktion, hvilket er nyttigt i kvantekemi. Schrödingers kat er et tankeeksperiment; lad venligst være med at afprøve det – du ender blot med en ulykkelig kat og muligvis noget uønsket opmærksomhed fra myndighederne. Han fik ideen under en diskussion med Einstein.

Det var et forsøg på at påpege det, han så som problemer med kvantemekanik. Sådan lyder eksperimentet: Man har en kasse, hvorfra ingen stråling kan undslippe. I kassen anbringer man en kat (men ethvert lille pattedyr kan bruges), en beholder med giftgas og en klump uspecificeret radioaktivt materiale.

Sandsynligheden for, at materialet vil udsende en partikel, som vil gennemtrænge beholderen, frigive gassen og dræbe katten, er omkring 50/50. Så snart man lukker kassen, kan man ikke vide (det er åbenbart en meget rolig kat), hvad der er sket, før man åbner den og iagttager systemets tilstand.

Derfor kan man sige, at mens kassen er lukket, befinder katten sig i en superposition – både i live og død på samme tid. Meningen var at gøre grin med Niels Bohr og Københavner-fortolkningen af kvantefysik, som var (og er) fremherskende på dette tidspunkt (1935) – hvis katten overlever, husker den intet om at være død – på hvilket punkt skete så denne superposition?

Nu om dage er det fiktive eksperiment Schrödingers kat måske mere kendt end ophavsmanden. Det har indgået i adskillige romaner, digte, tv, computerspil og film.

Tidligere har forskere ved den australske organisation UNSW School of Electrical Engineering and Telecommunications demonstreret kontrol af kvantespin-qubit udført ved hjælp af et krystalprisme – noget, der potentielt kan blive opskaleret til at kontrollere millioner af qubit på en gang.

En undersøgelse foretaget af Quantum Insider forudser, at markedet for kvante-computere som tjeneste vil nå op på 4 milliarder dollar i 2025 og 26 milliarder dollar i 2030.

Det tyder også på, at vi – på trods af, at nogle skeptiske videnskabsfolk mener, at disciplinen er noget af en blindgyde – kommer til at se mere til denne teknologi, hvad enten den bruges via skyen, fra et datacenter eller er et kort i gpu-størrelse, som styrer husrobotten og den selvkørende bil. Det ser ud, som om kvantecomputer-begrebet er kommet for at blive.