Mens vi venter på kvantecomputeren

Posted on maj 15, 2006
Filed Under Artikelarkiv, Digitale forbrugerartikler, Prosa-Bladet

Ingen er i tvivl om, at kvantecomputeren, vil være et tigerspring ind i fremtiden. Og alle eksperter vurderer, at den er på vej – om end vejen er lang.

Indimellem popper endnu en begejstret nyhed op i nyhedsstrømmen, der fortæller, at nu, nu, nu beviser ny forskning eller en ny prototype, at det kan lade sige gøre at bygge en atomcomputer. Eller rettere en såkaldt kvantecomputer, der i stedet for vores kendte elektronikbaserede CPU, fungerer efter kvantefysikkens love, der hersker på atomart niveau. Men selv om der ganske rigtigt sker fremskridt, så er der lang vej endnu.

- Hvis man sammenligner med computerens spæde barndom, så har vi endnu ikke en stabil og fungerende radiorørsmodel, som for eksempel Danmarks første DASK-computer. Det er endnu vanskeligt at se de atomare processorer skalere til en enhed, der kan behandle datatransaktioner med den fornødne kapacitet, beroliger professor i nanoteknologi på Danmarks Tekniske Universitet, DTU, ph.d. og dr. scient. Jørn M. Hvam.

Kvantecomputere arbejder med såkaldte kvantebits, på engelsk: quantum bits, qubits, der groft sagt kan sammenlignes med bits i almindelige computere. Og et af problemerne er at bringe en qubit i en stabil tilstand længe nok til, at man kan tale om et 0 eller et 1, som vi kender det fra bits i traditionelle computere. Jørn Hvam taler om kohærenstider – altså et sammenhængende tidsrum, hvor en qubit er stabil.

- I dag har vi typisk kohærenstider på picosekunder, så operationshastigheden skal være ekstremt hurtig, siger professoren.
Et picosekund er 0,000.000.000.001 sekund.

Kvantecomputeren er en talknuser

Forskerne kæmper også med et andet afgørende problem, nemlig at de atomare systemer er svære at isolere fra omgivelserne. De løsninger, vi kender til i dag, er alt for følsomme overfor påvirkning udefra. De vekselvirker med omgivelserne og det gør dem ustabile.

- Jeg tror først, at det for alvor bliver muligt med en praktisk brugbar kvantecomputer, når vi har fundet et faststofsystem til at realisere den i. Det er ligesom dengang, man fandt på at bruge halvledere som silicium til transistorer. Det var først der, det nyttede noget, vurderer Jørn Hvam og peger på, at der i dag forskes i fem-seks forskellige muligheder for at etablere et faststofsystem til en kvantecomputer.

Med qubits kan man nå op på en langt større regnehastigheder, end dem vi kender fra den klassiske computer. Kvantecomputeren bliver simpelthen en regulær talknuser, og derfor forskes der først og fremmest i at udvikle kvantecomputere til kryptering – og til at bryde kryptering.

- Allerede i dag ved vi, at der er algoritmer, som i en kvantecomputer kan ting, som andre computere ikke kan, siger professor i datalogi og kryptering ph.d. Ivan Damgård fra Aarhus Universitet. Han henviser blandt andet til Fourier-transformation, der kan faktorisere meget store heltal meget hurtigt.

- Så vi kan se frem til, at den kendte RSA-kryptering kan brydes med en kvantecomputer, forklarer han og tilføjer med et grin:

- Det er skæbnens ironi, at kvantecomputeren formodentlig let kan bryde de krypteringssystemer, vi kender i dag. Til gengæld kan kvantecomputeren tilbyde os langt bedre – endda ubrydelig kryptering, siger Ivan Damgård.

Kvantekommunikation giver ubrydelig kryptering

En særlig gren af forskningen i kvantecomputere koncentrerer sig udelukkende om at skabe digital kommunikation baseret på kvantefysikken, kvantekommunikation. Tanken er at sende databærende fotoner – altså en bit – igennem de lyslederkabler, vi bruger i dag. I dag sender vi millioner og atter millioner fotoner af sted med lyssignalet, men hvis vi når helt ned på en enkelt foton ad gangen, så er det udelukket at aflytte signalet, uden at det kan konstateres bagefter.

- Man kan ikke stjæle en halv foton, man er nødt til at tage det hele, og så kan modtageren jo regne ud, at kommunikationen er kompromitteret, forklarer Ivan Damgård.

I modsætning til kvantecomputing er kvantekommunikation inden for mulighedernes grænse med den teknologi, vi har i dag. Kvantekryptering udføres rutinemæssigt i laboratoriet, og er så småt ved at være kommercielt tilgængeligt. Kvantekryptering er simplere end en kvantecomputer, fordi kryptering kun kræver, at man sender en enkelt qubit af sted og måler på den, så snart den ankommer. Der er ikke behov for at få den til at sidde stille og vekselvirke på en ganske bestemt måde med andre qubits, hvilket netop er det svære ved kvantecomputing.

Ingen fysiske love
Tilbage til selve kvantecomputeren, hvor der kloden over forskes i en række forskellige retninger for at realisere en fungerende computer baseret på kvantefysikkens love. Og det er svært at begribe og forklare, medgiver Jørn Hvam fra DTU:

- På det atomare niveau gælder de klassiske, fysiske love, vi kender fra vores hverdag og verden, ikke. Og den menneskelige hjerne forstår ikke ret godt kvantefysikken, fordi de klassiske fysiske love ikke gælder. I kvantefysikken er determinismen væk (determinisme er læren om, at fremtidige begivenheder er bestemt ud fra starttilstanden, red.). Man taler i stedet om, at elementarpartikler med en vis sandsynlighed befinder sig i en given tilstand, forklarer han.

Datalogien på glatis

Allerede her er vi på gyngende grund, fordi en qubit ikke kun kan være enten 0 eller 1, men begge dele på en gang, dvs. være i en blandingstilstand. Det paradoks er ofte populært betegnet som Schrödingers kat, som både kan være levende og død på én gang. Schrödinger er en af kvantemekanikkens fædre.

Det sætter jo de sidste 50-60 års datalogi med skarpt definerede begreber og programmer på en hård prøve – eller helt ud på glatis. Men måske kan den irregulære eller mere rodede tilgang til klart definerede moduler, interfaces og elementer i datalogien åbne for nye veje til at skabe programmer, der efterligner naturens metoder til at tilpasse sig og af sig selv finde nye veje og nye løsninger.

- Et eksempel er Grover-teknikken, der er en helt anden søgeteknik end den, vi kender i dag. Klassiske algoritmer, der leder efter indholdet i en række skuffer, er nødt til at trække skufferne ud en for en, og måske er vi nødt til at trække samtlige skuffer ud for at finde det, vi leder efter. En kvantealgoritme kan hive i flere skuffer på en gang, og det gør en krasbørstig forskel, siger Ivan Damgård.

Endnu er der ikke egentlige forsøg på at udvikle programmeringssprog til kvantecomputere, og det er også en anderledes matematik, der ligger til grund.

- Den er til gengæld ganske velbeskrevet, og man kan allerede i dag designe og prøve algoritmerne i lille skala. Vi har også beskrevet kvantekredsløb ganske godt, ligesom de kendte elektroniske kredsløb. Så vi er godt forberedt, når hardwaren falder på plads, siger Ivan Damgård, der ligesom sin kollega på DTU vurderer, at vi stadig er i „før-transistor-alderen”.

Kvantecomputere regner forkert

- Der er astronomisk langt til det, vi kender inden for den elektroniske computer. Men man skal passe på med at være afvisende. Det kan komme pludseligt, vurderer Ivan Damgård.

Udover problemerne med at skabe qubits, der har to niveauer, er stabile og ikke sarte over for vekselvirkning med omgivelserne, så er den næste store udfordring at kæde qubits sammen, så de i fællesskab kan udgøre en regneenhed. I dag er forskerne oppe på at kæde fire til seks qubits sammen. Og hver gang der kommer en qubit mere på, mangedobles kapaciteten.
- Det betyder, at kvantecomputeren meget hurtigere bliver kraftig, fordi hver logisk port man kan koble på, får kapaciteten til at vokse med en potens på to eller tre. Det er drømmen at realisere det element i praksis, siger Jørn Hvam og henviser til, at kapaciteten i den klassiske computer vokser mere moderat, nemlig logaritmisk for hver ekstra logiske enhed, der kobles på.

Både hardwaremanden, professor Jørn Hvam fra DTU, og softwaremanden, professor Ivan Damgård fra AU, er enige om, at man skal have omkring hundrede qubits til at arbejde sammen, før det for alvor giver mening at tale om en kvantecomputer.

- Information går tabt i en kvantecomputer. Derfor skal der være en vis redundans, så systemet kan korrigere for de uundgåelige fejl, der vil opstå, forklarer Jørn Hvam.

Kvantecomputeren spinner

De mest lovende eksperimenter er de såkaldte spintronics-computere. De går ud på at udnytte en egenskab ved elektronerne og neutronerne i en atomkerne, der kaldes spin. Forenklet sagt kan man sige, at elektroner drejer sig om sig selv, de spinner, mens de roterer om kernen.

- Det er groft sagt, fordi spin-karakteristikken ikke findes i de klassiske, fysiske love, understreger Jørn Hvam.

Mange elementarpartikler, heriblandt elektroner, har netop to spintilstande – ofte benævnt op-spin og ned-spin.

Ved at påvirke systemet med laserlys er det lykkedes at få elektroners spin i et cadmium-atom til at fungere som en qubit. Der er også andre eksperimenter, der fokuserer på elementarpartiklernes magnetiske egenskaber
- Det er påvist, at en elektron på grund af sit spin orienterer sig i forhold til et magnetfelt. Og en elektron er simpel, fordi dens spin har to tilstande i forhold til magnetfeltet. Det kan populært sagt vende nord-syd eller omvendt, forklarer DTU-professoren.

Han peger på, at kvantecomputeren til forskel fra den kendte computer i princippet kan operere med ringe energitab, så man undgår de enorme og stigende problemer med varme, der er med de integrerede kredse.

- I kvantemekanikken kan vi ændre tilstande uden at ændre energien, forklarer han.

Bare vent – længe nok

Om 10-12 år forventes grænsen for udvidelse af kapaciteten i integrerede kredse at være nået. Så er tætheden af transistorer meget stor på det atomare niveau, og så er det ikke muligt at komme videre uden at trænge ind på kvantefysikkens område. Moores lov, der siger, at regnekapaciteten i computerne fordobles hvert andet år, dør omkring år 2016.

- Grænsen bliver hele tiden skubbet, så måske bliver det ikke i 2016, men der er en grænse. Det er der ikke tvivl om. Og kvantecomputeren kommer. Skal vi være på den sikre side, vil jeg tippe om 15 til 20 år, siger DTU-professor Jørn M. Hvam, der i øvrigt gætter på, at det bliver et spinsystem i et halvledermateriale.

- Vi har kæmpe erfaringer med halvledermaterialer, og dem vil vi gerne bruge, vurderer han og peger på, at de første kvantecomputere sikkert bliver kraftigt nedkølede for at virke. De bliver først og fremmest brugbare til specielle opgaver som for eksempel kryptering og store databasesøgninger. Det bliver ikke en forbrugsartikel lige med det første.
Måske bliver kvantecomputeren ikke en realitet på vores skriveborde eller indopereret i armen i vores levetid – først i vores børns. Men den kommer.

Comments