Förklarare: Vad är en kvantdator?

Bild med tillstånd från Rigetti Computing. Foto av Justin Fantl.

Detta är den första i en serie förklarare om kvantteknologi. De andra två handlar om kvantkommunikation och postkvantkryptografi.

En kvantdator utnyttjar några av de nästan mystiska fenomenen inom kvantmekaniken för att ge enorma steg framåt i processorkraft. Kvantmaskiner lovar att överträffa även de mest kapabla av dagens – och morgondagens – superdatorer.

De kommer dock inte att utplåna konventionella datorer. Att använda en klassisk maskin kommer fortfarande att vara den enklaste och mest ekonomiska lösningen för att ta itu med de flesta problem. Men kvantdatorer lovar att driva spännande framsteg inom olika områden, från materialvetenskap till läkemedelsforskning. Företag experimenterar redan med dem för att utveckla saker som lättare och kraftfullare batterier för elbilar och för att hjälpa till att skapa nya droger.

Hemligheten bakom en kvantdators kraft ligger i dess förmåga att generera och manipulera kvantbitar, eller qubits.

Vad är en qubit?

Dagens datorer använder bitar - en ström av elektriska eller optiska pulser som representerar ett s eller 0 s. Allt från dina tweets och e-postmeddelanden till dina iTunes-låtar och YouTube-videor är i huvudsak långa strängar av dessa binära siffror.

Kvantdatorer, å andra sidan, använder qubits, som vanligtvis är subatomära partiklar som elektroner eller fotoner. Att generera och hantera qubits är en vetenskaplig och ingenjörsmässig utmaning. Vissa företag, som IBM, Google och Rigetti Computing, använder supraledande kretsar som kyls till temperaturer kallare än rymden. Andra, som IonQ, fångar enskilda atomer i elektromagnetiska fält på ett kiselchip i ultrahögvakuumkammare. I båda fallen är målet att isolera kvantbitarna i ett kontrollerat kvanttillstånd.

Qubits har några udda kvantegenskaper som betyder att en sammankopplad grupp av dem kan ge mycket mer processorkraft än samma antal binära bitar. En av dessa egenskaper kallas superposition och en annan kallas intrassling.

Vad är superposition?

Qubits kan representera många möjliga kombinationer av ett och 0 på samma gång. Denna förmåga att samtidigt vara i flera tillstånd kallas superposition. För att placera qubits i superposition manipulerar forskare dem med precisionslasrar eller mikrovågsstrålar.

Tack vare detta kontraintuitiva fenomen kan en kvantdator med flera qubits i superposition knasa igenom ett stort antal potentiella utfall samtidigt. Det slutliga resultatet av en beräkning dyker upp först när qubits har mätts, vilket omedelbart får deras kvanttillstånd att kollapsa till antingen ett eller 0 .

Vad är förveckling?

Forskare kan generera par av qubits som är intrasslade, vilket betyder att de två medlemmarna i ett par existerar i ett enda kvanttillstånd. Att ändra tillståndet för en av qubitarna kommer omedelbart att ändra tillståndet för den andra på ett förutsägbart sätt. Detta händer även om de är åtskilda av mycket långa avstånd.

Ingen vet riktigt hur eller varför förveckling fungerar. Det förbryllade till och med Einstein, som berömt beskrev det som spöklik action på avstånd. Men det är nyckeln till kraften hos kvantdatorer. I en konventionell dator fördubblar en fördubbling av antalet bitar dess processorkraft. Men tack vare förtrassling ger en kvantmaskin en exponentiell ökning av dess numeriska förmåga att lägga till extra qubits till en kvantmaskin.

Kvantdatorer utnyttjar intrasslade qubits i en sorts kvantkedja för att göra sin magi. Maskinernas förmåga att påskynda beräkningar med hjälp av specialdesignade kvantalgoritmer är anledningen till att det finns så mycket surr om deras potential.

Det är de goda nyheterna. Den dåliga nyheten är att kvantmaskiner är mycket mer felbenägna än klassiska datorer på grund av dekoherens.

Vad är dekoherens?

Interaktionen av qubits med sin omgivning på sätt som gör att deras kvantbeteende förfaller och i slutändan försvinner kallas dekoherens. Deras kvanttillstånd är extremt bräckligt. Den minsta vibration eller temperaturförändring - störningar som kallas brus i kvanttal - kan få dem att ramla ur överlagring innan deras jobb har gjorts ordentligt. Det är därför forskare gör sitt bästa för att skydda qubits från omvärlden i dessa underkylda kylskåp och vakuumkammare.

Men trots deras ansträngningar gör buller fortfarande att många fel kryper in i beräkningar. Smarta kvantalgoritmer kan kompensera för några av dessa, och att lägga till fler kvantbitar hjälper också. Det kommer dock troligen att ta tusentals standard-qubits för att skapa en enda, mycket tillförlitlig, känd som en logisk qubit. Detta kommer att tappa mycket av en kvantdators beräkningskapacitet.

Och det är problemet: hittills har forskare inte kunnat generera mer än 128 standard qubits (se vår qubit-räknare här ). Så vi är fortfarande många år ifrån att skaffa kvantdatorer som kommer att vara allmänt användbara.

Det har inte sänkt pionjärernas förhoppningar om att vara först med att visa kvantöverlägsenhet.

Vad är kvantöverhöghet?

Det är den punkt då en kvantdator kan slutföra en matematisk beräkning som bevisligen är utom räckhåll för även den mest kraftfulla superdatorn.

Det är fortfarande oklart exakt hur många qubits som kommer att behövas för att uppnå detta eftersom forskare fortsätter att hitta nya algoritmer för att öka prestanda hos klassiska maskiner, och superdatorhårdvara blir bättre. Men forskare och företag arbetar hårt för att göra anspråk på titeln och kör tester mot några av världens mest kraftfulla superdatorer.

Det finns massor av debatt i forskarvärlden om hur viktigt det kommer att vara att uppnå denna milstolpe. Istället för att vänta på att överhöghet ska förklaras, börjar företag redan experimentera med kvantdatorer tillverkade av företag som IBM, Rigetti och D-Wave, ett kanadensiskt företag. Kinesiska företag som Alibaba erbjuder också tillgång till kvantmaskiner. Vissa företag köper kvantdatorer, medan andra använder sådana som görs tillgängliga via molntjänster.

Var är en kvantdator troligen mest användbar först?

En av de mest lovande tillämpningarna av kvantdatorer är att simulera materiens beteende ner till molekylär nivå. Biltillverkare som Volkswagen och Daimler använder kvantdatorer för att simulera den kemiska sammansättningen av batterier till elektriska fordon för att hjälpa till att hitta nya sätt att förbättra deras prestanda. Och läkemedelsföretag utnyttjar dem för att analysera och jämföra föreningar som kan leda till skapandet av nya läkemedel.

Maskinerna är också bra för optimeringsproblem eftersom de kan gå igenom ett stort antal potentiella lösningar extremt snabbt. Airbus, till exempel, använder dem för att hjälpa till att beräkna de mest bränsleeffektiva stig- och nedstigningsvägarna för flygplan. Och Volkswagen har avslöjat en tjänst som beräknar de optimala rutterna för bussar och taxibilar i städer för att minimera trängseln. Vissa forskare tror också att maskinerna kan användas för att påskynda artificiell intelligens.

Det kan ta ganska många år för kvantdatorer att uppnå sin fulla potential. Universitet och företag som arbetar med dem står inför en brist på skickliga forskare inom området – och en brist på leverantörer av vissa nyckelkomponenter. Men om dessa exotiska nya datormaskiner håller vad de lovar kan de förändra hela industrier och sätta fart på global innovation.

Dölj