Kvantecomputere er et af forskningens 'hotte' områder.

Fra forskningsgrupper i mange lande vælter forskningsresultater frem i en lind strøm, der lanceres som gennembrud på det ene, andet eller tredje område af stor vigtighed, hvis kvantecomputere i fremtiden skal blive en realitet.

Mange af disse forskningsresultater er væsentlige og betydningsfulde, men det kan ofte være svært at vurdere de enkelte resultater - især fordi de færreste af de, der har hørt lidt om kvantecomputere, har den fjerneste idé om, hvad en kvantecomputer i virkeligheden er.

Mange har hørt, at kvantecomputere laver mange udregninger på én gang - hvor en traditionel computer kun kan udregne én ting ad gangen.

Mange har også hørt, at det hænger sammen med, at en kvantebit eller qubit i modsætning til en bit i en traditionel computer både er 0 og 1 på samme tid - på samme måde som Schrödingers kat i et af kvantemekanikkens mest berømte tankeeksperimenter både er død og levende på samme tid.

Problemet er bare, at denne parallelbeskrivelse er misvisende, forklarer en af de førende eksperter inden for kvantecomputere, australske Michael A. Nielsen. Han er sammen med Isaac Chuang forfatter til en af de 'klassiske' bøger om kvantecomputere, og efter mange års overvejelse er han kommet frem til, at der eksisterer et fundamentalt problem, når man skal forsøge at forklare, hvordan en kvantecomputer virker:

Det er simpelthen umuligt at give en beskrivelse af en kvantecomputer i simple, konkrete termer hentet fra beskrivelsen af konventionelle computere. Og det er måske i virkeligheden ikke så overraskende, for det er jo også umuligt at forklare kvantemekanik ud fra simple, konkrete termer fra den klassiske mekanik - kvantemekanik er noget helt andet end klassisk mekanik. På samme måde er kvantecomputere noget helt andet end traditionelle computere.

»Der eksisterer et kvantegab mellem kvantecomputerens virkemåde og vores evne til at forklare den,« skriver Michael Nielsen i sit essay Quantum computing for everyone. Det er rigtigt, at en qubit både repræsenterer 0 og 1 på samme tid, og det er grundlaget for, at en kvantecomputer på samme tid kan undersøge mange forskellige mulige løsninger til et enkelt problem.

Problemet i en kvantecomputer er således ikke beregningen, men ud fra de mange beregninger at vælge den rigtige løsning.

»I langt de fleste tilfælde er det umuligt. Det er ikke kun min mening, i visse tilfælde kan det endda bevises matematisk, at det er umuligt,« forklarer Michael Nielsen.

Der findes dog flere eksempler på effektive kvantealgoritmer.

Det mest kendte er Shors algoritme til at faktorisere sammensatte tal, altså finde primtalsdivisorerne p og q i tallet pq. Denne opgave er svær for almindelige computere, men Peter Shor fra AT&T Bell Labs fandt i 1994 en algoritme, der tillod kvantecomputere at løse problemet i polynomiel tid, hvor almindelige computere kun kan løse problemet i eksponentiel tid. Peter Shor er i dag professor ved Massachusetts Institute of Technology (MIT). Det fik interessen for kvantecomputere til at vokse voldsomt.

Når en computer kan lave beregninger i polynomiel tid, kan selv store tal faktoriseres inden for overkommelig tid. Hvis computeren kun kan beregne i eksponentiel tid, bliver tidsforbruget uoverkommeligt stort, jo flere cifre, der er i det sammensatte tal.

Kvantegates
Hvis man til trods for kvantegabet skal prøve at få en fornemmelse af, hvordan en kvantecomputer virker, så forklarer Michael Nielsen, at en kvantecomputer med n qubit repræsenterer en samling af 2n tal.

Der skal altså mere end en million tal til at beskrive en 20 qubit kvantecomputer. En konventionel 20-bit computer kan derimod beskrives alene med netop 20 bit.

Når vi programmerer almindelige computere, sker det ofte med såkaldte højniveauprogrammeringssprog. Men det rokker ikke ved, at enhver computer er opbygget af simple logiske kredsløb, som udfører operationer på bit ved eksempelvis at sammenligne to input-bit og levere et output-bit. En XOR-gate leverer f.eks. output 1, hvis de to input-bit har forskellig værdi, og output 0, hvis de input-bit er ens (begge 0 eller begge 1).

Kvantecomputere bruger også gates med navne som Hadamard, controlled-NOT, Toffili osv. Den nøjagtige virkemåde er uinteressant, med mindre man vil lave sit eget kvanteprogram eller kvantealgoritme. Men der er en helt afgørende egenskab ved kvantegates, som er med til at adskille kvantecomputere fra almindelige computere.

Udfører man eksempelvis en operation på en qubit med en Hadamard gate, så vil den påvirke alle de 2n tal, der beskriver en kvantecomputer med n qubit. Det er nøglen til kvantecomputerens virkemåde.

Har vi ikke kun 20 qubit til rådighed, men eksempelvis 300, så skal vi bruge flere tal til at beskrive kvantecomputeren, end der er atomer i det synlige Univers.

Der kan altså udføres massive beregninger, men kunsten er stadig at udpege den rigtige løsning. Det er opgaven for kvanteprogrammøren at gøre dette ved at bruge et passende antal kvantegates i den rigtige rækkefølge. Shors algoritme kan f.eks. implementeres med brug af bl.a. Hadamard og controlled-NOT gates.

Kvantecomputere i praksis
Kvanteprogrammøren arbejder med kvantegates og kvantelogik, men i sidste ende skal en kvantecomputer laves i hardware. Og det er ikke mindst på dette område, at forskningen gør fremskridt. Som kvantebit kan man bl.a. bruge fotoner, atomer, ionfælder og kvanteprikker. Men hvis kvantesystemet ikke er isoleret, kan kvantebittene hurtigt miste deres kvanteegenskaber, og det vil være ødelæggende for computeren.

Der forskes intenst i at holde styre på flere og flere kvantebit på samme tid. Det er indlysende, at jo flere man har, jo sværere bliver det.

Det canadiske firma D-wave hævdede i 2007 at have en kvantecomputer med 128 qubit - men mange tvivlede på, om det var en ægte kvantecomputer. I dag ligger antallet af qubit i kvantecomputere nok nærmere 5-10, alt efter hvem man spørger.

Der er rigeligt for forskere at få styr på, når det angår hardware, men også på softwaresiden skal der ske store fremskridt, hvis kvantecomputeren nogensinde skal finde udbredelse.

Et af problemerne er, at der ingen højniveausprog findes til kvanteprogrammering, og der heller ingen rigtig gode ideer er til, hvordan man skal opnå dette.

Og hvad killer-applikationen angår, så mener f.eks. Scott Aaronson fra MIT, at det næppe bliver kodebrydning med Shors algortime, men snarere noget så simpelt som en simulere kvantefysik.

Det bedste argument for at lave en kvantecomputer er nemlig nok stadig Richard Feynmans konklusion fra Conference on Physics and Computation i 1981, hvor han lancerede ideen om en kvantecomputer:

»Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical, and by golly it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy.«

Fakta: Nogle højdepunkter i kvantecomputernes historie
1969: Stephen Wiesner udvikler principperne for kvantekryptografi.

1981: Richard Feynman giver den første beskrivelse af en kvantecomputer.

1985: David Deutch præsenterer en beskrivelse af en universel kvantecomputer.

1994: Peter Shor udvikler algoritme, der kan faktorisere sammensatte tal i kvantecomputer.

2001: IBM Alamaden Research Center og Stanford University faktoriserer tallet 15 med Shors algoritme i en kvantecomputer.

2007: Det canadiske firma D-Wave Systems hævder at have en kvantecomputer med 128 qubit - det er dog stadig omdiskuteret, om det er en ægte kvantecomputer.