Kvanteskolen del 4: Kvantebit og kvantealgoritmer
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Kvanteskolen del 4: Kvantebit og kvantealgoritmer

For at forstå betydningen af kvantebit og kvantealgoritmer kan det være nødvendigt at træde et skridt tilbage og huske på, hvordan en almindelig computer virker.

En digital computer er kort fortalt en maskine, som modtager en række input i form af bit (nuller og ettere), som den manipulerer med i henhold til regler beskrevet i et program eller en algoritme. Dermed leverer computeren et output af andre bit, der er facit på en beregning eller et problem - hvis ellers programmet/algoritmen er korrekt.

Hardwaremæssigt er man med halvlederteknologi, med silicium som det vigtigste materiale, kommet langt de seneste 50 år med at kunne håndtere bit, der fysisk set fylder mindre og mindre, og fremstille mikroprocessorer, der kan manipulere bit lynhurtigt i kredse eller gates. Sådanne kan eksempelvis ud fra to input-bit (A og B) levere en output-bit C efter bestemte regler.

Hvis eksempelvis C=1, når både A og B også er 1, men C=0 i alle andre tilfælde, har man en såkaldt AND-gate. XOR er en anden meget almindelig gate, hvor det gælder, at C=1, hvis enten A eller B er 1, men C=0, hvis A og B er ens (0 eller 1).

Ud fra disse gates kan man udføre de operationer, som et program eller en algoritme foreskriver. Programmører arbejder dog i en form for højniveau sprog, hvor de ikke behøver at koncentrere sig om de enkelte gates. Det tager et andet stykke software i form af en oversætter eller compiler sig af.

Kvantegates er anderledes

Kvantecomputere er i princippet opbygget på samme måde.

Input er nu kvantebit også kaldet qubit, disse kan være en superposition af både 0 og 1, som vi har set i kvanteskolens del 2.

Kvantebits kan også manipuleres med kvantegates på samme måde, som AND og XOR gates manipulerer traditionelle bit. Den helt afgørende forskel er dog, at disse kvantegates ikke kan udføre samme operationer som gates i en almindelig computer, men nogle helt andre.

Følgende artikel beskriver emnet lidt nærmere.

Læs også: Kvantecomputer haves (næsten) – software ønskes

Den vigtigste erkendelse er dog, at da kvantegates er anderledes end gates i almindelige computere, er kvantealgoritmer og dermed kvantesoftware også helt anderledes end traditionelle algoritmer og software.

En almindelig misforståelse

Har man et problem, som det tager uoverskueligt lang tid at løse på en almindelig computer - med selv de største supercomputere af slagsen - så kan man ikke uden videre regne med at kunne løse opgaven på en kvantecomputer, fordi man har hørt noget om, at en kvantecomputer er lynhurtig ved at udføre en hel masse beregninger parallelt på den tid, en traditionel computer kun udfører en beregning.

Sådan fungerer det ikke.

Man skal første designe en særlig kvantealgoritme, der manipulerer kvantebit med kvantegates. Hvis en sådan kvantealgoritme eller kvantesoftware findes, og det kan være en ganske svær opgave at lave sådanne kvantealgoritmer, og man har en kvantecomputer af en passende størrelse, så kan man løse et problem hurtigere på en kvantecomputer end en traditionel computer.

Findes der ingen kvantealgoritmer til at løse problemet, så har kvantecomputeren ikke en beregningsmæssig fordel.

Interessen for kvantecomputere opstod hos teoretikere allerede i 1970'erne og 1980'erne, hvor de formulerede mange af de principper og fundamentale regler, som udnyttes i dag.

Teoretikerne kunne vise, at der er rigtigt mange problemer, som ikke kan løses på en kvantecomputer, og der er mange, som man formoder kan løses, men hvor man endnu ikke kender en kvantealgoritme.

Peter Shor fik vakt interessen

I 1995 fandt den amerikanske matematiker en sådan kvantealgoritme, som kunne implementeres med kvantegates, der gjorde det muligt at faktorisere tal, som var produktet af to primtal. Hvis algoritmen eksempelvis fik leveret tallet 15 som input, kunne den så let som ingenting med brug syv kvantebit levere 3 og 5 som output (15 = 3 x 5).

Det lyder måske ikke imponerende. Men forestil dig, at input-tallet har flere hundrede bit, så er det helt umuligt med alle kendte teknikker. der kan bruges på traditionelle computere, at finde de to tal, som ganget sammen giver input-tallet.

Det forhold er grundlaget for langt hovedparten af de krypteringsværktøjer, der i dag benyttes til sikker kommunikation. Har man derimod en kvantecomputer med nogle hundrede kvantebits til rådighed, så kan man legende let og lynhurtig finde svaret med brug af Shors algoritme - og så ryger al sikkerhed ved de nuværende systemer.

Så kan det nok være, at interessen for kvantecomputere og kvantebit for alvor tog til.

I 1980'er og begyndelsen af 1990'erne var det primært matematikere, dataloger og teoretiske fysikere, der var interesseret i kvantecomputere og kvantebit. Eksperimentalfysikerne havde indtil da anset det, som alt for kompliceret at kaste sig ud i at fremstille kvantebit, som kunne være så stabile over så lang tid, at man kunne bruge dem til noget som helst.

I midten af 1990'erne, hvor Shor og andre præsenterede de første meget interessante kvantealgoritmer, var eksperimentalfysikken dog også kommet så langt, at det var ved at være hverdag i laboratorierne at kunne manipulere med superposition og entanglement, de to nøglebegreber vi beskrev i kvanteskolens del 2 og 3, som er forudsætningen for at kunne lave hardware til en kvantecomputer.

Så udviklingen inden for software og hardware gik hånd i hånd.

Logiske og fysiske kvantebit

Ligesom bit kan implementeres på mange forskellige måder, de første 'elektronhjerner' benyttede eksempelvis ferritkerner og elektriske tråde, så kan kvantebits også implementeres på forskellige måder.

Alle former for kvantesystemer kan i princippet bruges: Atomer (neutrale eller ioner), elektroner, fotoner osv.

De ægte teoretikere er sådan set ligeglad, hvilken teknologi der vinder kapløbet. De kan bruge enhver form for kvantecomputer.

Det helt store problem er dog, at kvantetilstanden let forstyrres, hvis den utilsigtet påvirkes.

Den ene helt store eksperimentelle udfordring er derfor at kunne lave kvantebit, der er stabile gennem så lang tid, at man kan manipulere med dem. Den anden helt store udfordring er at kunne masseproducere sådanne kvantebit. Det nytter ikke noget kun at have syv kvantebit i et system, men skal gerne have flere hundrede.

En løsning til at omgå problemet med den manglende stabilitet er at udføre en form for fejlkorrektion. Det betyder kort fortalt, at man skal have mange fysiske kvantebit til at lave en logisk kvantebit, som er sådanne en kvantealgoritme skal manipulere med.

I mange af de kvantesystemer, man i dag studerer eksperimentelt, skal man måske bruge 1000 eller endnu flere fysiske kvantebit til at lave én logisk kvantebit.

Flere steder forsker man dog i at fremstille kvantebit, som er meget stabile. Det sker bl.a. i Center for Quantum Devices på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Med såkaldte topologiske kvantebit, som man her studerer, burde man principielt kunne opnå en grad af stabilitet, så én fysisk kvantebit svarer til én logisk kvantebit. Men selv hvis man kun skulle komme til, at 10 fysiske kvantebit skulle svare til én logisk kvantebit, vil det være en overmåde stort skridt hen mod realiseringen af kvantecomputer af en størrelse, der virkelig batter.