Nye resultater kan vise vejen mod en brugbar kvante-computer
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Nye resultater kan vise vejen mod en brugbar kvante-computer

Illustration: UNSW

I et par årtier har forskere rundt omkring på kloden arbejdet på at udvikle en computer, der ikke ligner den klassiske model, men i stedet er baseret på kvantemekaniske principper. En kvantecomputer kan udføre visse former for beregninger langt hurtigere end eksisterende, klassiske computere, men den lader vente på sig.

»Vi har endnu ikke fået en kvante­computer, der kan alt det, vi gerne vil have den til,« fortæller professor Klaus Mølmer fra Aarhus Universitet.

»Jeg tror stadig, vi har en kvantecomputer om 15 år. Men det vil jeg nok også sige, hvis du spørger mig igen om 15 år,« siger han.

Klaus Mølmer er blandt de fysikere, der i årevis har arbejdet på at udvikle teknologi til kvantecomputere. Sådanne forskere har vi en del af i Danmark, og internationalt er vi med helt i front. Den seneste videnskabelige artikel, der virkelig vakte opsigt blandt eksperimentelle kvantefysikere, kom dog ikke fra Danmark, men fra University of New South Wales i Australien.

I artiklen ‘A two-qubit logic gate in silicon’, der dukkede op i Nature 15. oktober, beskriver forskerne, hvordan de kan udføre en logisk operation på to qubits (kvantebit) og dermed har konstrueret en kvante­gate – en helt grundlæggende bygge­sten til en kvantecomputer.

Her forklarer lederen af det australske forskningsprojekt om resultatet:

Den nye kvantegate er af typen Controlled NOT (CNOT). Den har to qubit som input, og hvis og kun hvis den første bit er 1, vendes den anden bit i outputtet. Det lyder ikke umiddelbart imponerende med en simpel, kvantemekanisk CNOT-­gate, og sådan en så da også dagens lys for hele 20 år siden. Men det specielle ved det nye forskningsresultat er, at det nu er lykkedes at fremstille den ganske lille kvantecomputer i silicium med omtrent samme halvlederteknologi, som anvendes til produktion af almindelige computerchips.

Algoritmen gør forskellen

»Der sker en helt masse i silicium lige nu. Det er et drømmemateriale, men det har også været et helvede at bygge en kvantecomputer i silicium. Det er rigtig, rigtig svært, for det hele foregår i et fast stof, hvor alle atomerne er i kontakt med hinanden hele tiden. Det betyder, at kvantetilstandene ret hurtigt bliver lækket til omgivelserne – og så har man tabt informationerne,« fortæller Klaus Mølmer og fortsætter:

»Ved at arbejde systematisk med renere silicium og nye fabrikationsmetoder er det endelig lykkedes at lave noget, der ligner en tobit-gate. Siliciumforskerne er bagud lige nu, men de håber selvfølgelig på, at de har lettere ved at opskalere deres teknologi, end konkurrenterne har det.«

Opskalering skal der til, for uanset teknologi – silicium, ionfælde, nuklear magnetisk resonans, superledende kredsløb eller noget helt femte – skal en kvantecomputer have hundredvis og helst tusindvis af qubits, før det virkelig batter.

Ved mange problemer er en kvantecomputer ikke spor hurtigere end en klassisk computer, men ved andre er der virkelig noget at hente, hvis man har fundet frem til den rette kvantealgoritme – den optimale opskrift på, hvordan en sekvens af transformationer af kvantebit kan føre frem til løsningen af problemet.

Læs også: Sære fænomener gør kvante-computere suveræne

Den mest kendte kvantealgoritme blev udviklet af matematikeren Peter Shor i 1994, og med Shors algoritme kan en kvantecomputer for eksempel hurtigt finde frem til de primtal, som et givet tal er produktet af.

En klassisk computer kan selvfølgelig også løse sådan en faktoriseringsopgave, men den tid, den er om det, vokser eksponentielt med tallets størrelse. Det tager ekstremt lang tid at opløse et tal med tusinder af cifre til primtalsfaktorer.

For en kvantecomputer går det meget hurtigere, for her kan problemet løses på polynomisk tid, hvilket vil sige, at beregningstiden vokser med tallets størrelse opløftet til en fast potens. Polynomisk tid er til at have med at gøre, mens en eksponentielt voksende tid hurtigt løber løbsk, når tallet får flere cifre. Pointen er her, at hårde matematiske nødder, som en almindelig computer ville være millioner eller milliar­der af år om at knække, i teorien kan klares på en overskuelig tid af en kvantecomputer.

Kryptering kan brydes

Shors algoritme har fået ekstra opmærksomhed, fordi visse udbredte krypteringssystemer netop er baseret på, at det er nemt at gange to store primtal med hinanden, men omvendt svært at finde primtalsfaktorerne til et stort tal. En stor del af de krypterede data, der i dag sendes frem og tilbage over nettet, vil kunne dekrypteres med en kvantecomputer med nogle tusinde qubits.

Hvis man er interesseret i at kende folks hemmeligheder, som efterretningstjenesterne som bekendt er det, er en passende stor kvantecomputer således et uhyre nyttigt værktøj. Den kan gnave sig igennem Shors algoritme og dermed ikke blot bryde RSA-kryptering baseret på store primtal, men også Diffie-­Hellman-kryptering og elliptisk kurve-kryptering, der er baseret på andre matematiske principper.

Omvendt skal folk, der gerne vil værne om privatlivet, så småt begynde at kigge sig omkring efter nye krypteringsmetoder, der i hvert fald med de kendte kvantealgoritmer er modstandsdygtige over for kvantecomputere. Sådanne metoder findes trods alt også, og om ikke andet kan man jo ty til den ubrydelige kvantekryptering, hvor selv den største kvantecomputer med sikkerhed må give fortabt.

Der er dog et stykke vej endnu, før der er grund til bekymring. I 2012 kunne kinesiske fysikere demonstrere, hvordan en kvantecomputer med fire kvantebits kan bruges til at faktorisere tallet 143 og altså udregne, at det er produktet af 11 og 13. Sidste år viste det sig, at samme kvantecomputer faktisk også kan faktorisere visse større tal, herunder 56.153, som er lig med 241 x 233. Længere er forskerne endnu ikke nået, men der sker hele tiden små fremskridt på feltet, og før eller siden bliver det sandsynligvis muligt at udvikle en kvantecomputer, der for alvor er skalerbar og kan tackle langt større tal.

De australske forskere forklarer her om deres seneste resultater med hensyn til at opskalere deres kvante-computer:

For de fleste forskere er det dog ikke udsigten til at bryde koder, der gør kvantecomputere interessante. Det er alt det andet, de også vil kunne klare mere effektivt end klassiske computere, herunder alskens optimeringsopgaver, mønstergenkendelse og databaseopslag.

»Kvantecomputere har potentiale til rigtig mange anvendelser. Jeg kunne også godt bruge en. Den vil kunne regne på et stort spektrum af fysikproblemer og løse optimeringsproblemer i forhold til mange forskellige kemiske processer, for eksempel i medicinalindustrien,« siger Klaus Mølmer.

Når først en kvantecomputer med mange qubits står klar til brug, vil der sandsynligvis komme skub i udviklingen af algoritmer, som den kan bruge. Nye anvendelsesmulighed vil dukke op, og kvantecomputerens styrke vil for alvor blive åbenbar. Men først skal det lige lykkes fysikerne at konstruere en.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

I artiklen ‘A two-qubit logic gate in silicon’, der dukkede op i Nature 15. oktober, beskriver forskerne
...
»Ved at arbejde systematisk med renere silicium og nye fabrikationsmetoder er det endelig lykkedes at lave noget, der ligner en tobit-gate.

Det er ikke bare ren silicium - det er ren silicium-28 - dvs lavet af silicium-isotopen med kernemassen 28 units (atommasseenheder).

Oct 9, 2015, Silicon quantum logic gate is a first:
http://physicsworld.com/cws/article/news/2...
Citat: "...
This source of decoherence can be greatly reduced by making the [quantum] dots from silicon, the most common isotope of which (silicon-28) has zero nuclear spin.
[]
The new CNOT logic gate, which has been created by Andrew Dzurak, Menno Veldhorst and colleagues at the University of New South Wales and Keio University, has been made by coupling two silicon spin qubits for the first time.
[]
The two quantum dots were made by placing an array of electrodes on top of a piece of silicon-28. By applying voltages to some of the electrodes, two electrons are trapped within the silicon, separated by about 100 nm.
[]
These electron spin states are set by generating a microwave pulse using one of the electrodes as an antenna – a technique known as electron spin resonance (ESR). The states of the spin qubits can be set individually by using the electrodes to apply an electric field to one of the spins, which changes how that spin responds to the microwave signal. The values of the qubits are also read out using ESR.
[]
The spins are coupled via the exchange interaction, which is a purely quantum-mechanical effect that can be tuned to cause the spins to point in the same direction, or in opposite directions. This tuning is done by adjusting the voltages on some of the electrodes.
...
However, the researchers say that they were not able to show that the two qubits were quantum-mechanically entangled during the CNOT process, which they say was the result of errors in the read-out process. Entanglement is required for the operation of a quantum-logic device, and the team is now working towards improving the read-out process to confirm that the qubits are indeed entangled.
"All the physical building blocks for a silicon quantum computer have now been successfully constructed," says Veldhorst.
..."

-

13th August 2014, Silicon-28 made in USA.
Ultra-pure Silicon-28, a material necessary to make quantum computers, is now being produced in the USA as well as in Russia.
http://www.electronicsweekly.com/news/rese...
Citat: "...
Dr Joshua Pomeroy led the team at the National Institute of Standards and Technology which made silicon-28 which is 99.9998% pure.
It was done by pumping silicon ions through a magnetic field which separated silicon atoms with different weights.
..."

  • 1
  • 0

Mon Topsil også kunne tænkes at ville lave ren silicium-28 krystalskiver? Det kunne tænkes at blive efterspurgt i fremtiden?

.29. december 2009, Dansk silicium i verdensklasse.
I Frederikssund produceres noget af verdens fineste silicium. Efter købet af polske Cemat bevæger Topsil sig ned i markedet mod leverancer til fladskærme og anden forbrugerelektronik.
http://www.computerworld.dk/art/54430/dans...

  • 0
  • 0

Effektiv silicium-28 produktion?:

Jun 30, 2014, Laser shines a new light on isotope separation:
http://physicsworld.com/cws/article/news/2...
Citat: "...
The energy-efficient separator was used to create isotopically pure lithium-7, which is used in some nuclear reactors. The team is now developing the technology for a variety of isotopes used in science, engineering and medicine.
...
The result is 99.97% pure lithium-7 – which is good enough for use in a pressurized water reactor. Raizen believes that the energy cost of purifying a gram of lithium-7 would be "at least 250 times less than with the calutron and possibly as much as 1000 times less". He has now started a non-profit foundation to develop industrial versions of the machine, mainly to produce medical isotopes.
..."

Ingeniøren har faktisk hørt om silicium-28:

.3. feb 2006, Ultraren silicium-28 krystal skal give ny kilogramdefinition:
http://ing.dk/artikel/ultraren-silicium-28...

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten