Moderne kvantedatamaskiner er enorme og komplekse maskiner, som krever store mengder elektrisitet for å kjøle ned systemet helt ned mot det absolutte nullpunkt.

© Google

Kvantechip pensjonerer PC-en din

Nylig utført Googles kvantedatamaskin et regnestykke på under fire minutter som det vil ta verdens kraftigste datamaskin 10 000 år å regne ut. Dermed er kimen lagt til verdens første fullt funksjonelle kvantedatamaskin som kan produsere mer effektive medisiner, skape klokere kunstig intelligens og avsløre noen av universets største hemmeligheter.

I 2012 framsatte den teoretiske fysikeren John Preskill formuleringen om quantum supremacy – kvanteoverlegenhet. Han definerte det som øyeblikket da kvantedatamaskiner blir i stand til å gjøre ting som ikke er mulig for vanlige datamaskiner.

Sju år senere, høsten 2019, nådde Googles kvantedatamaskin Sycamore denne milepælen. På 200 sekunder løste kvantedatamaskinen et regnestykke konstruert av matematikere til å være så vanskelig at det ville ta verdens kraftigste superdatamaskin, IBMs Summit, om lag 10 000 år å nå fram til fasit. Googles kvantedatamaskin er med andre ord om lag 158 millioner ganger raskere enn verdens raskeste superdatamaskin.

Den [kinesiske kvantedatamaskinen](https://arxiv.org/pdf/2012.01625.pdf {"target":"_blank"}) Zuchongzhi er oppkalt etter en matematiker fra det 5. århundret, Zu Chongzhi, som regnet ut pi med en nøyaktighet som ikke ble slått på 800 år.

© Han-Sen Zhong et al., arXiv

Kina vipper Google av pinnen som kvantehersker

Nå har kinesiske forskere utviklet en kvantedatamaskin som vipper Sycamore av pinnen som den kraftigste kvantedatamaskinen.

Den kinesiske kvantedatamaskinen, som kalles Zuchongzhi, tok førsteplassen da den foretok et regnestykke som er 100 ganger mer utfordrende enn det Googles kvantedatamaskin klarte for å bli verdens kraftigste datamaskin.

Googles prosessor er bygget av 54 qubits, mens den kinesiske kvantedatamaskinen er bygget med 66.

Kvantedatamaskinen utnytter kvantemekanikkens spilleregler til å gjennomføre utregninger som overstiger den menneskelige fatteevnen. Kvantemekanikken er en gren innen fysikken som sysselsetter seg med fotoner, elektroner og atomkjerner.

Disse minste byggesteinene i universet oppfører seg stikk i strid mot all fornuft. To partiklers tilstander kan for eksempel være forbundet med hverandre selv om partiklene er fysisk skilt over store avstander, og en enkelt partikkel kan befinne seg to ulike steder samtidig.

Ved å simulere naturens komplekse fysiske og kjemiske prosesser på atomnivå kan kvantedatamaskinen blant annet hjelpe forskerne med å utvikle nye medisiner og finne opp superledende materialer som kan lede elektrisitet uten energitap.

Hvis kvantedatamaskinen skal kunne sparke døren inn til en ny vitenskapelig gullalder, krever det imidlertid at forskerne overvinner en rekke utfordringer.

Googles kvantechip Sycamore er ikke mye større enn tradisjonelle prosessorer. Men for at brikkens i alt 54 qubits kan arbeide, må den installeres i et kabinett som består av blant annet kobber og gull med temperaturer helt ned mot det absolutte nullpunkt, -273,15 grader celsius.

© Google

Qubits kan være alle steder samtidig

Kvantedatamaskinens regnekraft kommer fra såkalte kvantebits, forkortet qubits. I en vanlig datamaskin oppbevares data som bits med en av to mulige verdier – 0 eller 1. Fire klassiske bits kan til sammen skape 16 ulike kombinasjoner av data – (0000, 0001, 0010 og så videre) – men den klassiske datamaskinen kan bare arbeide med én av disse kombinasjonene av gangen.

Qubits kan inneholde begge verdier – altså både 0 og 1 – på en gang. Dette kalles også for superposisjon. Den tilstanden gjør datamaskinen i stand til å arbeide med alle de 16 kombinasjonene samtidig. For hver qubit som legges til, stiger datakraften eksponentielt. En kvantedatamaskin med 300 qubits kan ifølge forskerne foreta flere utregninger samtidig enn det eksisterer atomer i universet.

0 og 1 stammer fra det binære tallsystemet, som datamaskinene har bygget beregningene sine på siden den gang datamaskinene fylte et helt rom og brukte radiorør i stedet for transistorer.

Men for å kunne bruke de binære tallene i en datamaskin, må de representeres av noe fysisk. Det blir de i datamaskinens mikrochip, der millioner av mikroskopiske transistorer enten kan åpne for eller stenge av strømmen. En åpen transistor svarer til verdien 1 og en lukket svarer til verdien 0. Jo flere transistorer mikrochipen inneholder, desto mer informasjon kan datamaskinen håndtere av gangen.

En klassisk datamaskin arbeider med såkalte bits som har verdi på enten 0 eller 1. Slik er det ikke med kvantedatamaskinen. Den utnytter kvantefysikkens lover, slik at den kan være i begge tilstander samtidig – såkalt superposisjon. Det gjør kvantedatamaskinen i stand til å foreta vanvittig mange beregninger samtidig.

©

Datamaskinens hjerne er full av 0- og 1-tall

En vanlig datamaskin tenker i bits. En bit er den minste regneenheten i en datamaskin, og den har enten verdien 0 eller 1. En byte består av åtte bits, som hver kan anta verdiene 0 eller 1 – for eksempel 10001101.

©

Qubits er alle steder på en gang

En kvantedatamaskin tenker i såkalte kvantebits, som forkortes qubits. En qubit kan enten ha verdien 0 eller 1 og være begge deler samtidig. Tilstanden kalles superposisjon og baserer seg på kvantefysikkens regler.

©

Fire bits gir 16 ulike verdier

Fire bits fra en vanlig datamaskin kan til sammen skape 16 ulike verdier. I dag opererer de fleste datamaskiner med 34 og 62 bits. Sistnevnte gir milliarder av ulike verdier.

©

Fire qubits gir 16 ulike verdier

Fire qubits fra en kvantedatamaskin vil også skape 16 ulike verdier. For hver qubit som føyes til systemet, fordobles det antallet verdier datamaskinen kan arbeide med. 300 qubits kan for eksempel kombineres til flere ulike verdier enn det finnes atomer i universet.

©

Datamaskin tygger seg gjennom data

En vanlig datamaskin kan til syvende og sist bare regne på én verdi av gangen – for eksempel 0100. Dette betyr imidlertid ikke at den ikke kan arbeide raskt. Superdatamaskinen Summit kan for eksempel gjennomføre 200 millioner milliarder beregninger i sekundet.

©

Kvantedatamaskin får overnaturlig regnekraft

En kvantedatamaskin kan regne på alle 16 verdier samtidig. Det skyldes tilstanden som kalles superposisjon, og det er denne tilstanden som gir kvantedatamaskinen sin helt utrolige regnekraft.

Skrøpelig chip er lagt på is

Googles kvantedatamaskin Sycamore og IBMs Q System One knuser også data ved hjelp av mikrochiper. I stedet for millioner av transistorer som spytter 0 og ut 1-tall, inneholder kvantedatamaskinens «hjerne» bare noen få qubits. Googles Sycamore-chip råder over 53 qubits i alt, mens IBM Q System One inneholder 20.

De er produsert av grunnstoffet niob og preget inn i en chip av silisium – det samme materialet som vanlige datachiper produseres av.

Ved å skille to elektroder av niob med en tynn film av aluminiumoksid, oppstår det en såkalt Josephson-kontakt, som gjør det mulig å skape kvantemekanisk superposisjon. En Josephson-kontakt oppstår bare når materialet er superledende, det vil si at det ikke har noen elektrisk motstand.

Fordi kvantemekanikkens egenskaper først viser seg helt nede i de aller minste størrelsesforholdene, skal det nesten ingenting til å forstyrre beregningene. Selv et enkelt atom eller en luft- eller lyspartikkel kan slå de skrøpelige qubitene ut av kurs, slik at de mister superposisjon.

Derfor befinner den lille kvantechipen i laboratoriene til IBM og Google seg på bunnen av en fryser i et stort kabinett av komponenter som består av gull og kobber, som kjøler ned chipen til tett på det absolutte nullpunktet, som er på -273,15 grader celsius. Konstruksjonen kalles et dilution refrigerator eller kryostat og er en forutsetning for at forskerne i det hele tatt kan gjennomføre beregninger med en kvantechip.

Det forklarer også hvorfor kvantedatamaskinene inntil videre ikke inneholder flere qubits. Jo flere qubits som er til stede, jo vanskeligere er det å fastholde dem i superposisjon over lengre tid, fordi risikoen for elektriske forstyrrelser stiger eksponentielt med antallet qubits.

Kvantesprang venter

Tross de store framskrittene særlig Google og IBM har gjort med kvantedatamaskinene sine, er det altså fortsatt lang vei til at den spesielt kraftige datamaskinen blir allemannseie.

Hvis kvantedatamaskinen skal kunne installeres i vanlige hjem, må den følsomme prosessoren sannsynligvis kunne arbeide ved romtemperatur. Dessuten har Googles kvantedatamaskin «bare» slått en superdatamaskin i et spesielt komplisert regnestykke konstruert til formålet. Den neste store milepælen blir å få kvantedatamaskinen til å løse et nyttig problem.

Skal det lykkes, må kvantedatamaskinen kunne å arbeide med tusenvis og kanskje til og med flere millioner qubits av gangen, mener forskerne. Og det er vanskelig, for strukturen av qubits i kvantedatamaskinene til Google og IBM minner om et korthus som risikerer å falle sammen ved selv den minste støy.

Men en tredje IT-gigant, Microsoft, har kanskje løsningen på problemet. De arbeider nemlig for å omgå kvantedatamaskinens skrøpelige struktur via et såkalt topologisk kretsløp av kvantebits. Designet fungerer litt som Lego-klosser, som forbinder qubits med hverandre som mursteiner i et hus og dermed gjør datamaskinen mindre skrøpelig.

Om det blir Microsoft, Google, IBM eller noen andre som gir kvantedatamaskinen sitt endelige gjennombrudd, er umulig å spå. En ting er imidlertid sikker: Kappløpet om å få kvantedatamaskinen ut av laboratorienes iskalde fryseanlegg og for alvor bevise teknologiens nytte, er for alvor satt i gang.