Genom att utnyttja kvantmekanikens förunderliga fenomen kan en kvantdator utföra mängder av beräkningar samtidigt – tillräckligt för att lösa problem långt utom räckhåll för dagens, och morgondagens, mest kapabla superdatorer.
Kraften finns i kvantbiten
Den förväntade fördelen med kvantdatorer jämfört med vanliga datorer ligger i de grundläggande byggstenarna. I vanliga datorer är den minsta informationsbäraren en ’bit’ som kan anta värdet 0 eller 1. I allmänhet representeras 1 av att en elektrisk spänning (vanligtvis 5 volt) är på och 0 av att spänningen är av.
Kvantdatorer, däremot, är uppbyggda av kvantbitar (på engelska qubits) som kan ha både värdet 0 och 1 på samma gång, tack vare den kvantegenskap som kallas superposition.
Eftersom varje kvantbit kan representera två värden samtidigt, fördubblas det totala antalet möjliga samtidiga tillstånd med varje adderad kvantbit. Två kvantbitar kan representera fyra värden samtidigt, tre kvantbitar ger åtta möjliga värden, och så vidare. Det börjar långsamt, men växer snabbare och snabbare. Redan 300 kvantbitar skulle kunna representera fler värden samtidigt än det finns partiklar i hela universum. Och det krävs bara 50–60 välfungerande kvantbitar för att överträffa beräkningskraften i dagens superdatorer.
Berättelsen börjar
Den berömda fysikern och nobelpristagaren Richard Feynman och Yuri Manin kom på idén att använda kvantsystem för beräkningar på 1980-talet. Mer exakt såg de att det kunde vara användbart för simuleringar inom fysikforskning.
Men vid den tiden visste ingen hur man skulle rätta till de fel som oundvikligen skulle uppstå i en kvantdator och det fanns heller inga användbara algoritmer.
Situationen förändrades drastiskt år 1994, när matematikern Peter Shor publicerade en kvantalgoritm som snabbt hittar primtalsfaktorerna för ett givet, stort tal – vilket är nyckeln till att bryta dagens krypteringskoder. Ett år senare visade han hur en speciell felkorrigeringskod kan hantera de fel som uppstår i en kvantdator. Detta väckte ett starkt intresse för att förverkliga en kvantdator. Idag görs stora ansträngningar över hela världen, såväl på universitet som företag.
Hur man bygger en kvantdator
Tyvärr finns det ingen enkel guide för hur man bygger en kvantdator då det är en mycket svår och komplex uppgift. Men den här guiden går åtminstone en grov översikt över det mest grundläggande:
1. Välj hårdvara
Välj ett kontrollerbart kvantsystem med två (eller flera) tillstånd, till exempel en jon som har två olika energinivåer, en supraledande krets med två olika svängningstillstånd, eller en liten halvledarpartikel – en kvantprick – med olika laddnings- eller spinntillstånd. Andra alternativ är till exempel så kallade majorana-partiklar, implanterade joner och fotoner.
De mest lovande och utvecklade teknikerna hittills är supraledande kretsar och svävande joner. Supraledande kretsar tillverkas på ett mikrochip, medan jonerna hålls på plats av elektromagnetiska fält i en så kallad jonfälla.
2. Isolera från omgivningen
Kvanttillstånd är extremt känsliga och superpositioner kollapsar om de utsätts för störningar. Därför måste kvantbitarna vara ordentligt isolerade från omgivningen för att inte "glömma" sitt värde omedelbart. För många typer av hårdvara innebär detta att kvantbitarna placeras i en isolerad vakuumkammare kyld till strax över absoluta nollpunkten, alltså kallare än yttre rymden. Vidta även andra åtgärder du kan tänka dig för att minska störningar, som att skärma av strålning och magnetfält.
3. Kontrollera kvantbitarna
För att få kvantbitarna att arbeta för dig behöver du kunna manipulera dem för att sätta dem i önskade starttillstånd, sammanfläta (Einsteins "spöklika avståndsverkan") par av kvantbitar, utföra kvant-logiska operationer och läsa ut resultaten. I supraledande kvantdatorer görs detta med hjälp av mikrovågspulser. I kvantdatorer baserade på jonfällor görs det med hjälp av laserpulser med specifika våglängder.
4. Förbättra och öva
Testa att köra en kvantalgoritm på din kvantdator. Förmodligen kommer du att upptäcka att kvantbitarna glömmer sina värden långt innan algoritmen är slut. Gå tillbaka till steg 1 och försök ta bort alla eventuella defekter i din kvanthårdvara. Upprepa steg 2 och vidta alla åtgärder du kan tänka dig för att eliminera störningar. Gå sedan tillbaka till steg 3 och ta bort alla möjliga defekter i kontrollutrustningen. Arbeta också med att öka hastigheten i alla operationer på kvantbitarna. Med bättre kvantbitar och snabbare operationer bör du nu vara i en bättre position för att köra din kvantalgoritm.
Längst fram
Som tidigare nämnts är supraledande kretsar och jonfällor de mest utvecklade teknikerna för att bygga en kvantdator.
I oktober 2019 nådde Google en viktig milstolpe genom att vara först med att demonstrera en kvantdator som löste ett problem som ligger utom räckhåll för en vanlig dator. Det kallas kvantfördel eller kvantöverlägsenhet. Kvantdatorn i fråga var en 53-kvantbitars supraledande processor vid namn Sycamore. Läs mer i Nature och på SVT Nyheter.
Sedan dess har en handfull kvantdatorer nått kvantfördel. 2020 visade kinesiska forskare kvantfördel med en kvantdator baserad på fotoner, alltså ljuspartiklar. 2021 rapporterade ett kinesiskt team att de hade replikerat och överträffat Googles experiment med en supraledande 60-kvantbitars kvantdator och löst en större version av samma beräkningsuppgift.
År 2022 visade sig en foton-baserad kvantdator – vid namn Borealis – från det kanadensiska företaget Xanadu beräkningsmässigt slå klassiska superdatorer på en uppgift som på engelska kallas ’Gaussian boson sampling’. I motsats till andra kvantdatorer som tidigare nått kvantfördel är Borealis dessutom allmänt tillgänglig för användare via molnet.
År 2023 demonstrerade IBM en kvantberäkning av magnetiseringen av ett modellkvantsystem genom att använda en supraledande kvantprocessor på 127 kvantbitar, som ingen klassisk dator har minne nog att simulera. Användningen av en kvantprocessor för att beräkna egenskaperna hos ett verkligt system annonserades som "nyttig kvantberäkning" – det vill säga användbar även innan någon kunnat demonstrera en feltolerant, felkorrigerad kvantberäkning. WACQT:s Göran Wendin och Jonas Bylander diskuterade detta arbete i en Nature News & Views-kommentar. Men bara några dagar efter IBM:s publicering laddades tre artiklar (1, 2, 3) upp till Arxiv preprint-server med anspråk på klassiska simuleringar som överträffade IBM:s resultat genom att använda bättre beräkningsmetoder.
Förutom IBM:s 127-kvantbitars supraledande processor och Borealis foton-kvantdator, finns några andra kvantdatorer tillgängliga via molnet för kommersiellt bruk och forskning. Till exempel Rigetti Computings 80-kvantbitars supraledande processor, en 23-kvantbitars jonfällskvantdator av IonQ, och 256- och 100-kvantbitars kvantdatorer baserade på neutrala atomer av QuEra respektive Pasqal.
Bild: Google A.I. Quantums Sycamore-processor. Cred: Erik Lucero/Google
Att jämföra olika kvantdatorer
Nyhetsartiklar fokuserar ofta på antalet kvantbitar i en kvantdator. Men enbart det antalet säger väldigt lite om kvantdatorns prestanda. Det finns flera andra användbara mätvärden att ta hänsyn till:
- anslutningen mellan kvantbitar – antalet andra kvantbitar som kopplas till varje kvantbit,
- vilka typer av kvantlogiska grindar som kan implementeras,
- tillförlitligheten, ofta kallad fidelitet, hos grindoperationerna,
- antalet parallella operationer som kan genomföras, och
- kretsdjupet, det vill säga antalet grindar i sekvens som kan appliceras på alla kvantbitar innan fideliteten har avtagit för mycket under loppet av en algoritm.
Härnäst
Demonstrationen av kvantfördel som Google tillkännagav 2019 var verkligen imponerande. Deras kvantprocessor överträffade en konventionell superdator när det gällde att lösa ett specifikt problem. Dock var det ett totalt onyttigt problem som valts enbart för att det är lätt för en kvantdator men väldigt svårt för en konventionell dator.
”Nästa stora milstolpe inom kvantberäkningar är att hitta ett användbart problem som ligger utom räckhåll för vanliga datorer, men som en kvantdator med femtio till hundra kvantbitar kan lösa. Vi arbetar intensivt med detta i samarbete med våra branschpartners. Förmodligen kommer det att vara inom logistik eller simulering av stora molekyler, säger WACQT-forskaren Göran Johansson.
Kvantdatorer förutspås vara särskilt lämpade för att lösa problem som innebär ett stort antal möjligheter, såsom optimeringsproblem inom logistik eller maskininlärning, och beräkning av egenskaper hos stora molekyler. Att bryta dagens krypteringskoder ligger längre bort, eftersom det krävs tusentals välfungerande kvantbitar för att köra Shors berömda algoritm.
Kvantdatorer kommer med största sannolikhet att vara en del av hybridberäkningssystem, där en kvantdator fungerar som en subrutin eller co-processor till en konventionell superdator. De konventionella processorerna kommer att göra det mesta av arbetet, medan kvantprocessorn utför de specifika beräkningar som en kvantdator är betydligt bättre på.
Bilder:
Optical Lattice, credit: NIST Image Gallery
Google AI Quantum’s Sycamore processor, credit: Erik Lucero/Google
iStock by Getty Images and Anna-Lena Lundqvist/Chalmers