Sådan fungerer fremtidens kvantecomputer

Computerkraft handler ikke kun om megahertz, men om hvordan de udnyttes. Og det er her, kvantecomputeren har sin styrke. På sit nuværende stadie kan den ikke løse opgaver, der ville imponere et fireårigt barn, men forskningen fortsætter på fuld kraft.

Sådan fungerer fremtidens kvantecomputer

Afløseren til den elektroniske computer står klar i kulissen, når den digitale computer om føje år ikke kan blive mindre. Ganske vist på vuggestadiet, men forskerne arbejder på fuld kraft på at udvikle kvantecomputeren, der virker på en helt anden måde, og som fuldstændig bryder med den måde, vi bearbejder information på i dag.

Vi nærmer os støt og roligt grænsen for, hvor små elektriske kredsløb kan være. Den halvlederteknologi, der har været drivkraften i udviklingen af den digitale computer, kan ikke forbedres i det uendelige, og enden er nået, når computerens mindste dimensioner nærmer sig atomare størrelser.

Fremtidens computer vil herske i et domæne, hvor de klassiske, fysiske love bryder sammen, og en ny slags fysik tager over.

Kvantecomputeren vil adlyde spilleregler, der strider imod almindelig sund fornuft, men som ikke desto mindre er uangribelige kendsgerninger inden for den mest succesfulde fysiske teori i det tyvende århundrede: Kvantemekanikken.

Information kan reduceres til en række nuller og et-taller. Det er børnelærdom inden for computerteknologi, men når man kombinerer informationsteknologi med kvantemekanik, er tingene ikke helt så enkle længere.

I en klassisk computer opbevares data som bits, der kan have en af to mulige værdier, som man plejer at referere til som 0 eller 1. I kvantemekaniske systemer opfører objekter sig imidlertid ikke, som man er vant til fra den makroskopiske verden. I en kvantecomputer taler man om quantum bits, forkortet qubits. En qubit vil også have to mulige værdier, som kan kaldes 0 og 1, men hvor bits nødvendigvis må have den ene eller den anden værdi, kan qubits desuden være i en tilstand, hvor de har begge værdier på én gang.

Kvante-kaffekop

Man kan forestille sig en kaffekop, der kan stå på øverste eller nederste hylde i et skab. Hvis rene kvantemekaniske fænomener var en del af dagligdagen, kunne man have en kvantekop, der befandt sig på begge hylder samtidig. Med andre ord ville den befinde sig i en tilstand, der var en overlejring eller superposition af at være på øverste og nederste hylde.

Det er en situation, der virker utrolig for os mennesker, der er vant til at færdes i en makroskopisk verden, men i kvantemekanikken, der er den mest fundamentale del af fysikken, er sådanne muligheder for at være flere steder på én gang ikke til at komme uden om.

Nu er det jo ikke lykken med en skizofren kaffekop, men heldigvis er kvanteverdenen indrettet således, at kvantekoppen finder sin position, idet man åbner skabet og kigger efter. Når man skal bruge koppen, befinder den sig således enten på øverste eller nederste hylde.

Åbningen af skabet svarer til en måling på et fysisk system. I kvantefysik siger man, at den bølgefunktion, som beskriver kvantesystemet før målingen, kollapser, idet målingen finder sted. Bølgefunktionens udseende i det øjeblik, målingen foretages, afgør den sandsynlighed, der er for at finde koppen på øverste henholdsvis nederste hylde.

Det er ret upraktisk at benytte kaffekopper som informationsbærere i et computersystem, og normalt adlyder kopper da også Newtons velkendte fysiske love frem for kvantemekanikkens. I en kvantecomputer vil qubits blive repræsenteret af mikroskopiske objekter, eksempelvis atomer.

Atomare qubits

Et atom kan have mange forskellige energiniveauer, og en qubit kunne udgøres af et atom, der var begrænset til at kunne være i to forskellige af disse niveauer. Hvis vi fortsætter analogien med koppen, svarer laveste energiniveau til nederste hylde og højeste niveau til øverste hylde.

Hvis man kan påvirke atomet til at befinde sig i en given tilstand, der eksempelvis svarer til en superposition af de to energiniveauer, har man en kontrollabel qubit. Hvis man er i stand til at opbevare og manipulere med data i form af flere sammenkoblede qubits, er det muligt at løse matematiske opgaver på en ny måde.

Med en kvantecomputer kan man nemlig udføre en beregning på flere værdier i én omgang. For at illustrere dette kan man betragte en lille computer med et lager på kun to qubits. I en almindelig computer ville to bits kunne repræsentere én af fire forskellige værdier, men i en kvantecomputer kan to qubits repræsentere alle fire værdier samtidig.

Hvor man i en klassisk computer laver en beregning på det bestemte tal, som de to bits repræsenterer, kan man få kvantecomputeren til at udføre beregningen på samtlige fire værdier på én gang. I en kvantecomputer er der altså tale om en slags parallelberegning, hvor antallet af værdier, der kan regnes på i ét hug, fordobles for hver ekstra qubit.

Begrænsningerne i kvantecomputernes anvendelighed hænger blandt andet sammen med bølgefunktionens kollaps i det øjeblik, man aflæser sine qubits. Kvantesystemet, som før målingen kunne bruges til mange beregninger samtidig, idet det kunne holde mange værdier, forvandles til et system med én bestemt værdi ved målingen, og beregnings­metoderne skal derfor vælges med omhu.

Samtidig skal man finde matematiske udfordringer, hvor forskellen mellem kvantecomputeren og traditionelle computere kan udnyttes; kvantealgoritmer, der kan løse problemer, som man ellers må opgive at løse inden for en rimelig tid.

Kodebryder

Sådanne opgaver begyndte at dukke op i begyndelsen af 1990'erne. Den mest omtalte er fra 1994, hvor man fandt en kvantealgoritme, der kan bruges til at faktorisere store heltal. Det er nemt at gange to store primtal med hinanden, men til gengæld er det en matematisk svær opgave at finde de anvendte primtal ud fra resultatet. Hvis man skal finde ud af, hvilke to tal, der ganget med hinanden giver 174.253, tager det lang tid, men det er ingen sag at gange 271 med 643.

Klassiske computere er lang tid om at faktorisere meget store tal, idet de må prøve sig frem fra en ende af. Netop vanskeligheden ved opgaven er grundlaget for nogle af de mest udbredte krypteringsmetoder. Alene dét gør det spændende at udvikle en kvantecomputer, der hurtigt kan bryde koder, der hidtil er anset for ubrydelige inden for en overskuelig årrække.

En kvantecomputer vil også kunne simulere andre kvantesystemer, og den vil være god til at udvælge bestemte poster fra store databaser. Endelig ligger computerens potentiale ikke mindst i de algoritmer, der bliver udviklet i fremtiden.

Atom-computere

For at lave en kvantecomputer skal man bruge et antal objekter, der opfører sig kvantemekanisk og kan bringes i en superposition af to værdier. Man skal også have en metode til at programmere qubitsene fra starten og ikke mindst få dem til at ændre tilstand, så de kan bruges til beregninger. Endelig skal man kunne aflæse resultatet af en regneoperation.

I nogle af de mest lovende eksperimenter bruges elektrisk ladede atomer, der er fanget af radiobølger. Disse ioner nedfryses til en milliontedel af en grad over det absolutte nulpunkt for at få dem til at ligge så stille som muligt. Herefter kan hver ions tilstand manipuleres med en passende laserstråle.

I 1995 lykkedes det at få en enkelt indfanget beryllium-ion til at fungere som to qubits, idet den ene qubit afhænger af ionens vibrationer i atomfælden, og den anden afhænger af spin-tilstanden for atomets ydre elektron. Tre år senere fik samme forskergruppe fra National Institute of Standards and Technology i USA to ioner til at samarbejde, og de håber nu på at lave længere kæder af ioner, der kan virke som et register i en kvantecomputer.

Også nuklear magnetisk resonans, forkortet NMR, der allerede er velkendt fra medicinalindustrien, kan være et skridt på vejen mod virkeliggørelsen af en egentlig kvantecomputer. Her påvirkes spin-tilstanden i kerner i atomer, der er anbragt i et magnetisk felt, med radiobølger.

Eksempelvis kan man få atomkernerne fra brintatomet og kulstofatomet i kloroform til at opføre sig som små kvantemekaniske stangmagneter i et magnetfelt, og hver af atomkernerne fungerer som qubits, der kan programmeres med radiobølger med særlige frekvenser. Da kernerne er koblet til hinanden, er der tale om et samlet kvantesystem, eller med andre ord en lille kvantecomputer med to qubits, som i alt kan have fire forskellige værdier - eventuelt samtidig.

Der forskes tillige i indespærring af lyspartikler i små, superledende hulrum, og for nylig er en kvantecomputer baseret på mikroskopiske ringe af superledere foreslået. Under særlige omstændigheder kan makroskopiske objekter også udvise de nødvendige kvantemekaniske karakteristika.

1 + 1 = 2

Inden for de seneste år er der således dukket adskillige fungerende kvantecomputere op. Deres beregninger har dog ikke kunnet imponere, for antallet af qubits har kunnet tælles på én hånd. Til gengæld har eksperimenterne vist, at kvantecomputere rent faktisk virker som forudsagt teoretisk, og de har skabt grobund for større computere.

Indtil videre er det lykkedes at få NMR-kvantecomputere til at løse regnestykket 1+1 korrekt, lave en simulering af et andet enkelt kvantesystem samt at udpege et bestemt tal ud af fire. Det lyder ikke som noget særligt, men pointen er, at kvantecomputerne kan løse opgaverne mere effektivt end en klassisk computer ville kunne gøre. Hvor sidstnævnte i gennemsnit skal bruge 2,25 forsøg på at finde det rigtige tal ud af fire, klarer kvantecomputeren det i én omgang.

Kvantemekaniske computere er en lovende teknologi, men det er en enorm videnskabelig udfordring at lave større maskiner, der kan erstatte eller i det mindste supplere det digitale modstykke. Problemet er at få et system af flere hundrede eller tusinde qubits til at bevare dets kvantemekaniske egenskaber, når der skal udføres beregninger.

Et kvantemekanisk system er ekstremt følsomt over for støj og påvirkninger udefra. Systemer med flere qubits mister let deres kvantemekaniske egenskaber, og informationerne siver simpelt hen ud af kvantecomputeren. Derfor prøver forskerne at isolere systemerne ved at lave sindrige konstruktioner, hvor de nedkøles og opbevares i stærke magnetfelter eller i superledere.

Når qubits blander sig med omgivelserne, introduceres der fejl i kvanteberegningerne, men måske kan det lade sig gøre at rette fejlene, efterhånden som de opstår. I de seneste fem år er der forsket meget i kvante-fejlkorrektion, og i 1998 lykkedes det at korrigere en qubit, der var kommet på afveje.

En del videnskabsfolk tror ikke på muligheden for at lave større kvantecomputere. De mener, at kontrollable kvantetilstande er umulige at opretholde i systemer med mere end en halv snes qubits. Det forhindrer selvfølgelig
ikke andre forskere i at udtænke nye eksperimenter, men det varer nok mange år endnu, før antallet af koblede qubits i kvantecomputere kommer op på de cirka 100, der skal til, før det bliver rigtig spændende.

Et eksempel

Det kræver et eksempel at forklare, hvordan kvantecomputeren overgår den computer, vi bruger i dag. Vi har brugt et matematisk eksempel, en primtals-beregning - et af de områder, hvor kvantecomputeren er den klassiske computer overlegen.Det er de klassiske computeres vanskelighed ved at løse dette problem inden for en overskuelig tid, der ligger til grund for de mest udbredte krypteringssystemer.

Enhver matematisk opgave kan løses, hvis man ved hvordan, og man har tid nok. Skal man for eksempel finde ud af, hvilke to primtal, der ganget med hinanden giver 91, kan man med listen af primtal i hånden dele tallet med stadig større primtal og se, om resultatet bliver et andet primtal. Når man når til syv, får man primtallet 13 som resultat, og opgaven er løst.

Problemet ved denne metode er, at det bliver en langvarig affære, når tallet bliver større. Antallet af beregninger, der skal udføres for at finde frem til de primtal, som et tal er ganget sammen af, stiger nemlig eksponentielt med antallet af cifre i tallet. For hvert ekstra ciffer bliver stigningen i antallet af beregninger større.

I en klassisk computer vil antallet af nødvendige regneoperationer hurtigt blive så stort, at opgaven ikke kan løses inden for en overskuelig tid. Det vil tage selv den hurtigste computer mange milliarder år at primtalsfaktorisere et tal på tusind cifre.

En kvantecomputer er meget skrappere til sådanne hårde problemer. Kvantecomputeren benytter sig nemlig af en slags parallelberegning, så antallet af beregninger ikke stiger eksponentielt med antallet af cifre i tallet, men derimod kun polynomiel, så stigningen i beregningstid ikke vokser for hvert ekstra ciffer. En polynomiel stigning er altså noget mere overskuelig end en eksponentiel.

Hvis man tænker sig, at både en klassisk computer og en kvantecomputer skal bruge hundrede beregninger for at finde primtalsfaktorerne af et firecifret tal, så skal den klassiske computer bruge 100 x 100 = 10.000 beregninger på at faktorisere et femcifret tal, mens kvantecomputeren kun skal bruge 2 x 100 = 200 beregninger på opgaven. Med et sekscifret tal er antallet af beregninger oppe på henholdsvis 1.000.000 og 300.

Eksemplet er noget forenklet, men det illustrerer styrken ved kvantecomputeren.




Brancheguiden
Brancheguide logo
Opdateres dagligt:
Den største og
mest komplette
oversigt
over danske
it-virksomheder
Hvad kan de? Hvor store er de? Hvor bor de?
Alfapeople Nordic A/S
Rådgivning, implementering, udvikling og support af software og it-løsninger indenfor CRM og ERP.

Nøgletal og mere info om virksomheden
Skal din virksomhed med i Guiden? Klik her

Kommende events
Compliance og strategisk it-sikkerhed efter DORA

Finansielle koncerner har i snit 85 sikkerhedsløsninger i drift – men er i snit op til 100 dage om at opdage et igangværende cyberangreb. Ydermere viser øvelser, at det typisk tager 4-6 uger at rense og genetablere sikker drift af centrale systemer efter et stort angreb. Fokus for dagen vil derfor være på henholdsvis governance samt om, hvordan du som it-leder i den finansielle sektor skal kunne håndtere fremtidens cybertrusler og arbejde effektivt med sikkerhed på et strategisk niveau.

04. april 2024 | Læs mere


EA Excellence Day

Hvad er det, der gør it-arkitektens rolle så vigtig? Og hvad er det for udfordringer inden for områder som cloud, netværk og datacentre, som fylder hos nogle af landets bedste it-arkitekter lige nu? Det kan du her høre mere om og blive inspireret af på denne konference, hvor du også får lejlighed til at drøfte dette med ligesindede.

16. april 2024 | Læs mere


IAM - din genvej til højere sikkerhed uden uautoriseret adgang og datatab

På denne dag udforsker vi de nyeste strategier, værktøjer og bedste praksis inden for IAM, med det formål at styrke virksomheders sikkerhedsposition og effektiviteten af deres adgangsstyringssystemer og dermed minimere risikoen for uautoriseret adgang og datatab. Og hvordan man kommer fra at overbevise ledelsen til rent faktisk at implementere IAM?

18. april 2024 | Læs mere