• Kvantesprang Google offentliggjorde sitt gjennombrudd 23. oktober 2019, her et bilde av Sycamore-prosessoren. Foto: HO/GOOGLE/AFP/NTB SCANPIX

  • Kvantesprang Googles administrerende direktør Sundar Pichai viser frem en av Googles kvantedatamaskiner i laboratoriet i Santa Barbara 23. oktober 2019, da selskapet offentliggjorde sitt gjennombrudd. Foto: HO/GOOGLE/AFP/NTB SCANPIX

En milepæl i utviklingen av kvantedatamaskiner.

En milepæl i utviklingen av kvantedatamaskiner.

Fra utgave: 2 / februar 2020

Googles kvanteprosessor Sycamore brukte 200 sekunder på en beregning som ville tatt verdens raskeste superdatamaskin 10 000 år.

Teknologisk gjennombrudd. I oktober 2019 publiserte tidsskriftet Nature en artikkel fra Googles forskningsgruppe på kvantedatamaskiner. Artikkelen rapporterer om en beregning gjennomført i løpet av
200 sekunder på en kvanteprosessor kalt Sycamore. Googles forskere estimerte at den samme beregningen utført på verdens raskeste superdatamaskin Summit ville tatt 10 000 år.

Beregningen er ganske spesiell og ikke åpenbart nyttig. Likevel er dette en viktig milepæl av samfunnsmessig betydning. Det er første gang en programmerbar kvanteprosessor gjør en beregning som hevdes å være umulig for en vanlig datamaskin.

Datamaskinens begrensninger. Vi lever i dag i en transformasjon av samfunnet hvor datamaskiner er blitt en del av hverdagen. Dagens datamaskiner har likevel begrensninger som gjør at noen beregninger i praksis er umulig å gjennomføre.

Fakta

Kvantedatamaskiner.

/ En bit i en datamaskin er et fysisk system som kan være i to forskjellige tilstander som representerer tallene 0 og 1. En magnet som har nordpolen opp og sørpolen ned, kan for eksempel representere bitverdien 0. Er derimot nordpolen ned og sørpolen opp, er bitverdien 1.

/ Dersom man for eksempel har tre bits, kan man bruke dem til å representere alle tall fra 0 til 7. Tallet 0 representeres ved bitkombinasjonen |000〉, tallet 1 ved kombinasjonen |001〉, tallet 2 ved kombinasjonen |010〉, og så videre helt til tallet 7 representert ved |111〉.

/ I en kvantedatamaskin kan tre qubits være i en superposisjonstilstand |ψ〉 som vi kan beskrive slik: 

|ψ〉=c0|000〉+c1|001〉+c2|010〉+...+c7|111〉.

Her er det relative forholdet mellom de ulike bitkombinasjonene beskrevet med de åtte tallene c0, c1, … , c7, som også kan være negative.

/ Vi trenger altså åtte tall for å beskrive tre qubits. Har vi for eksempel tre hundre qubits, er antallet tall vi trenger 2300, det vil si tre hundre 2-tall ganget sammen. Dette tallet er trolig langt større enn antall atomer i universet. Det forklarer hvorfor det er så vanskelig å etterligne en kvantedatamaskin med en klassisk datamaskin.

/ Når man måler verdien til de tre qubit-ene, vil man bare finne én av bitkombinasjonene. Det er umulig å vite hvilken kombinasjon man vil finne. Man kan kun vite sannsynligheten for å finne en bestemt kombinasjon. For eksempel er sannsynligheten for å finne kombinasjonen |111〉 lik kvadratet av tallet c7.

/ En kvanteprosessor kan dra fordel av at qubits kan eksistere i slike superposisjonstilstander. For å gjøre nyttige beregninger må den imidlertid benytte sofistikerte kvantealgoritmer slik at sluttmålingene ikke bare gir tilfeldige utfall.

 

Et eksempel er å bestemme egenskapene til store biomolekyler bygget opp av hundrevis av naturens byggesteiner – atomer. Slike beregninger er viktige for vår forståelse av biologiske prosesser og for utvikling av nye legemidler. Datamaskinens ressursbehov i form av minne eller tidsbruk vil minst dobles dersom man øker antallet atomer med kun ett – et eksempel på såkalt eksponentiell vekst.

Dette gjør det vanskelig, ikke bare for dagens datamaskiner, men også for enhver fremtidig klassisk datamaskin. Med klassisk datamaskin mener vi en maskin basert på de samme prinsipper som dagens maskiner.

Richard Feynman, en berømt fysiker og nobelprisvinner, argumenterte i 1981 for at vi må ta i bruk fysikkens mest grunnleggende lover, kvantefysikken, til å lage en helt annen type datamaskiner, kvantedatamaskiner. Vi vet at for noen typer beregninger møter slike maskiner ikke de samme begrensningene i form av eksponentiell vekst. Dette gjelder blant annet beregninger av egenskaper til store molekyler eller materialer.

Kvantedatamaskiner kan også fremtvinge endringer i hvordan vi sender hemmelig informasjon over internett. Dette skyldes at de kan løse et matematisk problem som gjør det mulig å avdekke informasjonen mye mer effektivt enn klassiske maskiner. Det finnes noen flere eksempler, men ingen kjenner ennå kvantedatamaskiners fulle potensial. 

Kvantefysikk. Hvordan kan informasjonsbehandling basert på kvantefysikkens lover omgå begrensningene dagens maskiner møter? Det er ikke rom for å gi en fullstendig forklaring her, men vi får et hint ved å tenke over hvordan informasjon representeres i en datamaskin. Dagens teknologi representerer all informasjon ved hjelp av en mengde bits, som kan ta verdien 0 eller 1. Kvantedatamaskiner er i stedet bygget opp med qubits. Googles Sycamore-prosessor har 53 qubits. Disse er laget av superledende elektriske kretser og kjølt ned til nær det absolutte nullpunkt på cirka 273 minusgrader.

En qubit har den merkelige egenskapen at den på et vis kan ha både verdien 0 og 1 samtidig. Dersom man har to slike qubits, kan man få disse til å være i de fire bitkombinasjonene 00, 01, 10, og 11 samtidig. Tre qubits gir åtte kombinasjoner, og så videre.

Naivt skulle man da tro at en kvanteprosessor kan gjøre alle beregninger samtidig, siden den på et vis kan prosessere alle kombinasjoner på en gang. Dette er imidlertid ikke sant siden kvanteprosessoren kun gir ut én av de mange bitkombinasjonene når man til slutt måler hva bit-verdiene er (se faktaboks).

For å kunne overgå klassiske maskiner trengs det dermed noe mer. Når man utfører operasjoner på en mengde slike qubits, vil egenskapen at de kan være i flere ulike bitkombinasjoner samtidig kunne føre til at enkelte bitkombinasjoner overlever mens andre kanselleres. Dette minner om når to vannbølger som møtes, enten gir en stor bølge eller ingen bølge i det hele tatt. Slik bølgelignende forsterking eller
kansellering av de ulike bitkombinasjonene kalles kvante-interferens og kan utnyttes til stor fordel.

Kvanteinformasjonsprosessering er i dag et svært aktivt forskningsfelt ved mange universiteter verden over. I løpet av det siste tiåret har også kommersielle bedrifter som Google, IBM, Microsoft, Amazon og Alibaba fattet stor interesse for feltet. Forskere ved IBM har faktisk protestert på Googles påstander. De mener at superdatamaskinen Summit kan gjøre den aktuelle beregningen på 2,5 dager, ikke 10 000 år.

Til tross for uenigheten synes det uansett som om forskningen på kvantedatamaskiner har nådd et vippepunkt. Selv om IBM skulle ha rett, er løpet uansett snart kjørt for en klassisk datamaskin. 

Hva venter oss i fremtiden? Det gjenstår mye forskning og utvikling før kvantedatamaskinene kan gjøre nyttige beregninger og nå sitt fulle potensial. Den største utfordringen er fysiske forstyrrelser som introduserer feil i beregningene. Mange ledende forskere tror det kan ta flere tiår før vi har kvanteprosessorer som er immune mot slike uønskede forstyrrelser. Beregninger som kan true dagens mest brukte måte å sende hemmelig informasjon på, er altså etter alt å dømme et stykke unna.

Det forventes ikke at kvantedatamaskinene vil erstatte klassiske datamaskiner. De vil trolig bli brukt til spesielle formål, for eksempel gjennom en sky-tjeneste. Slike skytjenester, hvor brukere kan få adgang til kvanteprosessorer over internett, finnes faktisk allerede.

Det investeres nå store beløp i utviklingen av denne nye teknologien. EU planlegger å bruke en milliard euro over de neste ti årene innen forskning på datamaskiner, sensorer og kommunikasjonsteknologi som utnytter kvante-fysikkens særtrekk. Store offentlige investeringer er også lansert i USA, Kina og flere andre land. I Sverige har den private Wallenberg-stiftelsen bevilget 600 millioner svenske kroner til forskning på kvanteteknologi.

Disse investeringene gir selvsagt store muligheter, men medfører også en forventning om at det utvikles nyttig teknologi på kort sikt. Det legges nå stor vekt på å prøve å finne anvendelser for de noe unøyaktige kvanteprosessorene som begynner å se dagens lys.

På lengre sikt er det god grunn til å tro at kvanteteknologi vil by på nye og spektakulære anvendelser.