Vad är kvantdatorer? Vanliga datorer fungerar enligt strikta logiska regler. Men små kvantobjekt – t.ex. elektroner eller ljusfotoner – kan bryta mot dessa regler
Kvantdatorer är idén om att vi kan använda detta brott mot kvantreglerna för att bearbeta information på ett nytt sätt – ett sätt som är helt annorlunda än hur vanliga datorer fungerar. Detta gör dem i vissa fall exponentiellt snabbare än alla vanliga datorer.
En kvantdator skulle till exempel lätt kunna knäcka de koder som håller internetbankerna säkra.
Så, som en superdator?
Inte precis. En kvantdator är inte bara en ”snabbare” dator. Det finns några specifika uppgifter – som att faktorisera mycket stora tal – som en kvantdator skulle vara fantastisk på. (Det är här som kodbrytningen kommer in – se nedan.) Men för de flesta uppgifter skulle en kvantdator inte vara mycket bättre än en vanlig dator.
Så vad skulle en kvantdator kunna användas till?
De kommer förmodligen att vara mest användbara för myndigheter, forsknings- och utvecklingsföretag och universitet när det gäller att lösa problem som dagens datorer har svårt att lösa.
Den första praktiska idén, som föreslogs av fysikern Richard Feynman 1981, var att använda en kvantdator för att simulera kvantmekanik. Detta skulle påverka kemi och biologi. Kemister skulle till exempel kunna modellera läkemedelsinteraktioner på ett exakt sätt och biologer skulle kunna studera alla möjliga sätt som proteiner kan veckas och interagera med varandra.
Och medan kvantdatorer en gång i tiden var en akademisk kuriositet exploderade intresset 1994 när den amerikanske matematikern Peter Shor hittade ett sätt att använda kvantdatorer för att knäcka koder.
I dagsläget bygger många säkerhetssystem på nätet på principen att det är näst intill omöjligt att ta ett mycket stort tal och räkna ut vilka primfaktorer som finns i det. Allt en vanlig dator kan göra är att prova alla möjligheter en efter en – en uppgift som kan ta miljarder år. Med Shors algoritm skulle en kvantdator kunna utföra uppgiften på några timmar.
Kvantdatorer skulle också kunna vara fantastiska på att känna igen mönster i data – användbart för maskininlärningsproblem, t.ex. att kunna identifiera olika objekt i en bild. De skulle kunna vara utmärkta för att bygga modeller för att förutsäga framtiden, t.ex. i långsiktiga väderprognoser.
Men i slutändan är användningen av kvantdatorer oförutsägbar. Tänk på att Thomas Watson, ordförande för IBM, 1943 sa: ”Jag tror att det finns en världsmarknad för kanske fem datorer”. Nu finns det fem i varje hushåll.
Om prejudikat är vägledande har vi ännu inte kunnat föreställa oss vilka användningsområden kvantdatorer kommer att ha.
Hur fungerar kvantdatorer?
Reguljära datorer är baserade på ”bitar” – föreställ dig dem som små strömbrytare som pekar på antingen en 1 eller en 0.
Kvantdatorer bygger på kvantbitar, eller ”qubits”, som också kan representera en 0 eller en 1. Det galna är att qubits också kan uppnå ett blandat tillstånd, en så kallad ”superposition”, där de är både 1 och 0 på samma gång. Denna tvetydighet – förmågan att både ”vara” och ”inte vara” – är nyckeln till kraften hos kvantdatorer.
Hur hjälper superposition?
Skillnaden mellan vanliga datorer och kvantdatorer handlar om hur de närmar sig ett problem.
En vanlig dator försöker lösa ett problem på samma sätt som du försöker ta dig ut ur en labyrint – genom att pröva alla möjliga korridorer, vända om vid återvändsgränder, tills du så småningom hittar vägen ut. Men superposition gör det möjligt för kvantdatorn att prova alla vägar på en gång – i princip hitta genvägen.
Två bitar i din dator kan befinna sig i fyra möjliga tillstånd (00, 01, 10 eller 11), men bara ett av dem i varje ögonblick. Detta begränsar datorn till att behandla en inmatning i taget (som att prova en korridor i labyrinten).
I en kvantdator kan två qubits också representera exakt samma fyra tillstånd (00, 01, 10 eller 11). Skillnaden är att på grund av superposition kan qubitsen representera alla fyra samtidigt. Det är lite som att ha fyra vanliga datorer som körs sida vid sida.
Om du lägger till fler bitar till en vanlig dator kan den fortfarande bara hantera ett tillstånd åt gången. Men när du lägger till qubits växer kraften hos din kvantdator exponentiellt. För den matematiskt intresserade kan vi säga att om du har ”n” qubits kan du samtidigt representera 2n tillstånd.)
Det är som den gamla fabeln om en gammal indian, kallad Sessa, som uppfann schackspelet. Kungen var förtjust i spelet och bad Sessa att namnge sin belöning. Sessa begärde ödmjukt ett enda schackbräde med ett vetekorn på den första rutan, två på den andra, fyra på den tredje och så vidare. Kungen gick genast med på det, utan att inse att han hade lovat bort mer vete än vad som fanns på jorden. Det är kraften i exponentiell tillväxt.
På samma sätt som varje ruta fördubblade Sessas vete, fördubblar varje ytterligare qubit processorkraften. Tre qubits ger dig 23, vilket är åtta tillstånd samtidigt; fyra qubits ger dig 24, vilket är 16. Och 64 qubits? De ger dig 264, vilket är 18 446 744 073 709 600 000 möjligheter! Det är ungefär en miljon terabyte.
Och även om 64 vanliga bitar också kan representera detta enorma antal (264) tillstånd, kan de bara representera ett åt gången. Att cykla igenom alla dessa kombinationer med två miljarder per sekund (vilket är en typisk hastighet för en modern dator) skulle ta ungefär 400 år.
Allt detta innebär att kvantdatorer skulle kunna hantera problem som är ”praktiskt taget omöjliga” för klassiska datorer.
Men för att få denna exponentiella ökning av hastigheten måste alla kvantbitars öde kopplas samman i en process som kallas kvantförvirring. Detta märkliga fenomen, som Einstein kallade ”spöklik verkan på avstånd”, kan koppla samman kvantpartiklar även om de befinner sig i motsatta ändar av universum.
Vad gör en qubit?
För att göra en qubit behöver man ett objekt som kan uppnå ett tillstånd av kvantöverlagring mellan två tillstånd.
En atomkärna är en sorts qubit. Riktningen av dess magnetiska moment (dess ”spin”) kan peka i olika riktningar, till exempel uppåt eller nedåt i förhållande till ett magnetfält.
Utmaningen ligger i att placera och sedan adressera den enskilda atomen.
En australiensisk grupp under ledning av Michelle Simmons vid University of New South Wales har tillverkat atomära qubits genom att placera en enskild fosforatom på en känd position inuti en kiselkristall.
En annan idé är att avlägsna en elektron från atomen och förvandla den till en jon. Sedan kan man använda elektromagnetiska fält för att suspendera jonen i det fria rummet och avfyra lasrar mot den för att ändra dess tillstånd. Detta ger en kvantdator med ”fångad jon”.
En ström i en slinga av supraledande metall kan också befinna sig i en superposition (mellan med och moturs), lite som ett litet löpband som löper framåt och bakåt samtidigt.
En ljusfoton kan befinna sig i en superposition i den riktning den viftar. Vissa grupper har satt ihop kvantkretsar genom att skicka fotoner runt i en labyrint av optiska fibrer och speglar.
Hur skapar man superpositionen?
Har du någonsin försökt balansera ett mynt exakt på sin kant? Det är så det går till när man programmerar en qubit. Det innebär att man gör något med en qubit så att den på sätt och vis blir ”balanserad” mellan olika tillstånd.
I atomkärnans fall kan detta ske genom att man slår den med ett elektriskt eller magnetiskt fält, så att den har lika stor sannolikhet att snurra åt det ena eller det andra hållet.
Hur läser man då information från qubits?
Det finns en mystisk aura över det som sker under en kvantberäkning. De mer avancerade fysikerna beskriver qubits som att de deltar i ett slags kvantseans med parallella världar för att få fram svaret.
Men det är inte magi, det är bara kvantmekanik.
Säg att du har fått din nya kvantdator med 64 qubits i gång för sin första beräkning. Du placerar alla 64 qubits i superposition, precis som 64 mynt som alla balanseras på högkant. Tillsammans håller de 264 möjliga tillstånd i limbo. Du vet att ett av dessa tillstånd representerar det rätta svaret. Men vilket?
Problemet är att avläsning av qubitarna får superpositionen att kollapsa – som att slå näven i bordet med alla dessa balanserade mynt.
Här kommer en kvantalgoritm som Shors väl till pass. Den laddar kvantbitarna för att göra det mer sannolikt att de hamnar på rätt sida och ger oss rätt svar.
Har några kvantdatorer byggts ännu?
Tydligen ja, även om ingen av dem kan göra något som överträffar konventionella datorer än så länge.
Under de senaste tre åren har det gjorts dramatiska framsteg inom kvantdatorer. Medan tidskriften Nature år 2016 firade en dator med nio qubit som utvecklats av Google-forskare. Arton månader senare, i december 2017, rapporterade IBM om sin kvantdator med 50 kvbit. Inom fyra månader hade Google sprungit fram igen, med sin kvantdator ”Bristlecone” med 72 kvbit. Under tiden har IBM producerat den första kommersiellt tillgängliga kvantdatorn – med molntillgång till deras 20 qubit Q System One-maskin, mot ett pris.
D-Wave ligger fortfarande långt framme med sin skapelse av 2000 supraledande slingor som qubits, även om vissa fysiker är skeptiska till att D-Wave har byggt en riktig kvantdator.
Alla de stora aktörerna har nästa stora milstolpe i sikte: ”kvantöverlägsenhet”. Detta innebär när en kvantdator löser ett problem som överstiger de klassiska maskinernas kapacitet. Teoretiskt sett borde detta vara möjligt med en maskin med 50 qubits, men bara om felprocenten är tillräckligt låg.
Varför är det så svårt att bygga en kvantdator?
Det finns utmaningar på alla nivåer, från att sätta ihop qubits, till att läsa och skriva information på dem, till att skicka information fram och tillbaka utan att den försvinner i en puff av osäkerhet.
En qubit är den ultimata divan. Medan en Hollywoodstjärna kanske kräver ett gigantiskt omklädningsrum och ett bad fullt av rosenblad, kräver en qubit perfekt isolering och en termostat som är inställd på en hundradel av en grad över den absoluta nollpunkten. Den minsta vibration från en närliggande atom kan få en qubit att göra ett kvantutbrott och förlora sin superposition.
Den största svårigheten är att upprätthålla de känsliga tillstånden av superposition och förvirring tillräckligt länge för att utföra en beräkning – den så kallade koherenstiden.
Trots denna skrämmande utmaning har tävlingen om att bygga den första praktiska kvantdatorn blivit en av vår tids stora vetenskapliga utmaningar – och den involverar tusentals fysiker och ingenjörer på dussintals forskningsinstitut spridda över hela världen.