Forklarer: Hvad er en kvantecomputer?

Billede udlånt af Rigetti Computing. Foto af Justin Fantl.

Dette er den første i en række af forklaringer om kvanteteknologi. De to andre handler om kvantekommunikation og postkvantekryptografi.

En kvantecomputer udnytter nogle af kvantemekanikkens næsten mystiske fænomener til at levere enorme spring fremad i processorkraft. Kvantemaskiner lover at overgå selv de mest dygtige af nutidens – og morgendagens – supercomputere.

De vil dog ikke udslette konventionelle computere. Brug af en klassisk maskine vil stadig være den nemmeste og mest økonomiske løsning til at løse de fleste problemer. Men kvantecomputere lover at drive spændende fremskridt på forskellige områder, fra materialevidenskab til farmaceutisk forskning. Virksomheder eksperimenterer allerede med dem for at udvikle ting som lettere og kraftigere batterier til elbiler og for at hjælpe med at skabe nye lægemidler.

Hemmeligheden bag en kvantecomputers kraft ligger i dens evne til at generere og manipulere kvantebits eller qubits.

Hvad er en qubit?

Nutidens computere bruger bits - en strøm af elektriske eller optiske impulser, der repræsenterer en s eller 0 s. Alt fra dine tweets og e-mails til dine iTunes-sange og YouTube-videoer er i det væsentlige lange rækker af disse binære cifre.

Kvantecomputere bruger på den anden side qubits, som typisk er subatomære partikler såsom elektroner eller fotoner. Generering og styring af qubits er en videnskabelig og teknisk udfordring. Nogle virksomheder, såsom IBM, Google og Rigetti Computing, bruger superledende kredsløb, der er afkølet til temperaturer, der er koldere end det dybe rum. Andre, som IonQ, fanger individuelle atomer i elektromagnetiske felter på en siliciumchip i ultrahøjvakuumkamre. I begge tilfælde er målet at isolere qubits i en kontrolleret kvantetilstand.

Qubits har nogle skæve kvanteegenskaber, der betyder, at en forbundet gruppe af dem kan give langt mere processorkraft end det samme antal binære bits. En af disse egenskaber er kendt som superposition og en anden kaldes sammenfiltring.

Hvad er superposition?

Qubits kan repræsentere adskillige mulige kombinationer af en og 0 på samme tid. Denne evne til samtidigt at være i flere tilstande kaldes superposition. For at sætte qubits i superposition manipulerer forskere dem ved hjælp af præcisionslasere eller mikrobølgestråler.

Takket være dette kontraintuitive fænomen kan en kvantecomputer med flere qubits i superposition knase gennem et stort antal potentielle udfald samtidigt. Det endelige resultat af en beregning fremkommer først, når qubits er målt, hvilket øjeblikkeligt får deres kvantetilstand til at kollapse til enten en eller 0 .

Hvad er sammenfiltring?

Forskere kan generere par af qubits, der er sammenfiltrede, hvilket betyder, at de to medlemmer af et par eksisterer i en enkelt kvantetilstand. Ændring af tilstanden for en af ​​qubits vil øjeblikkeligt ændre tilstanden af ​​den anden på en forudsigelig måde. Dette sker, selvom de er adskilt af meget lange afstande.

Ingen ved rigtigt, hvordan eller hvorfor sammenfiltring virker. Det forbløffede endda Einstein, som berømt beskrev det som uhyggelig handling på afstand. Men det er nøglen til kraften ved kvantecomputere. I en konventionel computer fordobles dens processorkraft ved at fordoble antallet af bits. Men takket være sammenfiltring producerer tilføjelse af ekstra qubits til en kvantemaskine en eksponentiel stigning i dens tal-knasende evne.

Kvantecomputere udnytter sammenfiltrede qubits i en slags kvante-daisy-kæde for at udføre deres magi. Maskinernes evne til at fremskynde beregninger ved hjælp af specialdesignede kvantealgoritmer er grunden til, at der er så meget buzz om deres potentiale.

Det er den gode nyhed. Den dårlige nyhed er, at kvantemaskiner er langt mere fejltilbøjelige end klassiske computere på grund af dekohærens.

Hvad er dekohærens?

Interaktionen mellem qubits og deres miljø på måder, der får deres kvanteadfærd til at henfalde og i sidste ende forsvinde, kaldes dekohærens. Deres kvantetilstand er ekstremt skrøbelig. Den mindste vibration eller ændring i temperatur - forstyrrelser kendt som støj i kvantetale - kan få dem til at vælte ud af superposition, før deres arbejde er blevet ordentligt udført. Det er derfor, forskere gør deres bedste for at beskytte qubits fra omverdenen i disse superkølede køleskabe og vakuumkamre.

Men på trods af deres indsats får støj stadig masser af fejl til at snige sig ind i beregningerne. Smarte kvantealgoritmer kan kompensere for nogle af disse, og tilføjelse af flere qubits hjælper også. Det vil dog sandsynligvis tage tusindvis af standard-qubits at skabe en enkelt, meget pålidelig, kendt som en logisk qubit. Dette vil tære meget på en kvantecomputers beregningskapacitet.

Og der er gnisten: indtil videre har forskere ikke været i stand til at generere mere end 128 standard qubits (se vores qubit-tæller her ). Så vi er stadig mange år væk fra at få kvantecomputere, der vil være bredt nyttige.

Det har ikke svækket pionerernes håb om at være den første til at demonstrere kvanteoverherredømme.

Hvad er kvanteoverherredømme?

Det er det punkt, hvor en kvantecomputer kan gennemføre en matematisk beregning, der beviseligt er uden for rækkevidde af selv den mest kraftfulde supercomputer.

Det er stadig uklart, præcis hvor mange qubits, der vil være nødvendige for at opnå dette, fordi forskerne bliver ved med at finde nye algoritmer til at øge ydeevnen af ​​klassiske maskiner, og supercomputing-hardware bliver ved med at blive bedre. Men forskere og virksomheder arbejder hårdt på at hævde titlen og kører test mod nogle af verdens mest kraftfulde supercomputere.

Der er masser af debat i forskningsverdenen om, hvor vigtigt det vil være at nå denne milepæl. I stedet for at vente på, at overherredømmet bliver erklæret, begynder virksomheder allerede at eksperimentere med kvantecomputere lavet af virksomheder som IBM, Rigetti og D-Wave, et canadisk firma. Kinesiske firmaer som Alibaba tilbyder også adgang til kvantemaskiner. Nogle virksomheder køber kvantecomputere, mens andre bruger dem, der er tilgængelige via cloud computing-tjenester.

Hvor er en kvantecomputer sandsynligvis mest nyttig først?

En af de mest lovende anvendelser af kvantecomputere er at simulere stofs adfærd ned til molekylært niveau. Bilproducenter som Volkswagen og Daimler bruger kvantecomputere til at simulere den kemiske sammensætning af batterier til elektriske køretøjer for at hjælpe med at finde nye måder at forbedre deres ydeevne på. Og farmaceutiske virksomheder udnytter dem til at analysere og sammenligne forbindelser, der kan føre til skabelsen af ​​nye lægemidler.

Maskinerne er også gode til optimeringsproblemer, fordi de ekstremt hurtigt kan komme igennem et stort antal potentielle løsninger. Airbus bruger dem for eksempel til at hjælpe med at beregne de mest brændstofeffektive op- og nedstigningsstier for fly. Og Volkswagen har løftet sløret for en tjeneste, der beregner de optimale ruter for busser og taxaer i byer for at minimere trængsel. Nogle forskere mener også, at maskinerne kunne bruges til at accelerere kunstig intelligens.

Det kan tage en del år for kvantecomputere at opnå deres fulde potentiale. Universiteter og virksomheder, der arbejder på dem, står over for en mangel på dygtige forskere på området – og en mangel på leverandører af nogle nøglekomponenter. Men hvis disse eksotiske nye computermaskiner lever op til deres løfte, kan de transformere hele industrier og sætte gang i global innovation.

skjule