Det grønne feltet i midten av dette kortet er en brikke på 8 x 3 millimeter som inneholder tre qubit (quantum bit). IBMs forskere mener de nærmer seg det punktet hvor det vil være mulig å kombinere flere slike brikker for å lage en fungerende kvantedatamaskin. (Bilde: IBM)

– Kvantedatamaskin innen rekkevidde

Nye «quantum bit» fra IBM ser ut til å kunne utvikles til praktiske byggeklosser.

Tanken om å anvende kvantemekaniske fenomener til regneoppgaver ble fremmet av den amerikanske fysikeren Richard Feynman i 1982. Teoretisk arbeid avdekket forholdsvis tidlig at konseptet kunne være lovende innen avansert kryptering og andre enorme beregningsoppgaver som ville sprenge enhver tenkelig digital datamaskin.

Disse antakelsene bygger på egenskapene til den grunnleggende byggeklossen i en kvantedatamaskin, kjent som qubit for «quantum bit». En digital bit har bare to mulige tilstander, og kan bare befinne seg i én tilstand om gangen. En qubit kan derimot ha et stort antall tilstander, og på kvantemekanisk vis kan den ha alle tilstandene samtidig.

Det åpner for en hittil uant datatetthet, og en mulighet for å gjennomføre millioner av samtidige beregninger. Uansett hvor lenge man greier å holde fast ved Moores lov, er det ingen fysisk mulighet for at digital elektronikk skal komme i nærheten av noe tilsvarende.

I boka Quantum computation and quantum information fra 2000, skriver Michael A. Nielsen og Isaac L. Chuang at for å simulere en kvantedatamaskin på 500 qubit med digital elektronikk, vil man måtte kunne lagre 2500 komplekse verdier. Til sammenlikning består en terabyte av 243 binære verdier. En kvantedatamaskin regner på komplekse tall, der en digital datamaskin regner på binære tall.

IBM formidler et tilsvarende overveldende inntrykk i dette bildet: En samling av 250 qubit inneholder flere bit med informasjon enn det er partikler i universet.

Kvantedatamaskiner dreier seg følgelig ikke om å erstatte dagens digitale maskiner. De åpner i stedet helt nye perspektiver og et helt nytt univers av mulige anvendelser. Blant de første anvendelsene man ser for seg, er innen kryptering. Evnen til å gjennomføre et uant antall beregninger samtidig innebærer at selve dagens sterkeste kryptonøkler vil kunne knekkes nærmest umiddelbart. På den andre siden åpner kvantedatamaskiner for langt sterkere kryptering enn noen kan tenke seg i dag.

Fra dette teoretiske arbeid er veien svært lang til praktisk gjennomføring.

Qubit-eksperimentene krever temperaturer ned mot noen milligrader over det absolutte nullpunktet. Her justeres kjøleanlegget av forsker Jerry Chow i IBMs gruppe Experimental Quantum Computing.
Qubit-eksperimentene krever temperaturer ned mot noen milligrader over det absolutte nullpunktet. Her justeres kjøleanlegget av forsker Jerry Chow i IBMs gruppe Experimental Quantum Computing. Bilde: IBM

Det er mange måter å realisere en qubit i den fysiske verden. Alle er svært vriene å håndtere fordi kvantemekaniske utslag er svært små. Et «kvantesprang», som ofte brukes som bilde på et stort framskritt, er i virkeligheten den minst mulige av alle overganger. Flere av de foreslåtte framgangsmåtene krever superledning, og temperaturer ned mot det teoretiske nullpunktet.

årsmøtet til American Physical Society i Boston i går – verdens største samling av fysikere – la forskere fra IBM fram resultater som de mener er et langt skritt på vei mot de minimumskravene som det er enighet om må tilfredsstilles for å kunne sette sammen en praktisk fungerende kvantedatamaskin.

Forskningen omfatter flere serier med eksperimenter, der man har konsentrert seg om å skape forhold der en qubit kan bevare sine kvantemekaniske egenskaper over et tilstrekkelig tidsrom for at det skal være mulig å gjennomføre beregninger. Hittil har man støtt på store utfordringer i forhold til et fenomen kjent som kvantedekoherens, og som fører til feil i beregningene som følge av påfirkning fra varme, elektromagnetisk stråling, defekter i materialet og så videre. Jo lenger man kan strekke tidsrommet der en qubit opprettholder sine kvantemekaniske egenskaper, jo mer nøyaktig blir beregningene, og jo mer effektive blir metodene som kan rette opp beregningsfeil.

IBM-forskerne har valgt en tilnærming med superledende qubit, realisert med tanke på mulig framtidig masseproduksjon.

En serie med eksperimenter har tatt utgangspunkt i en tilnærming som først ble foreslått ved Yale University, der man realiserer en tredimensjonal qubit som henges i et hulrom på en brikke av safir, og som styres gjennom mikrobølger. Hulrommet har en bredde på rundt 4 centimeter, selve qubiten er omtrent en millimeter lang. Denne forskningen er beskrevet i Superconducting qubit in waveguide cavity with coherence time approaching 0.1ms. At koherenstiden til en qubit nærmer seg 0,1 millisekunder er altså et stort framskritt i den praktiske forskningen fram mot en realiserbar kvantedatamaskin.

Bildet nedenfor viser hvordan dette ser ut: Hulrommet dannes ved at de to metallblokkene føres helt tett sammen. Qubiten er de to strekene på den delvis gjennomsiktige skiven på halvdelen til venstre.

Qubiten i en serie lovende eksperimenter er de to strekene på den delvis gjennomsiktige skiven på halvdelen til venstre. For å få den til å fungere må de to sidene lukkes helt tett, og temperaturen må senkes til så vidt over det teoretiske nullpunktet, nærmere bestemt 0,008 kelvin. Qubiten styres ved hjelp av mikrobølger.
Qubiten i en serie lovende eksperimenter er de to strekene på den delvis gjennomsiktige skiven på halvdelen til venstre. For å få den til å fungere må de to sidene lukkes helt tett, og temperaturen må senkes til så vidt over det teoretiske nullpunktet, nærmere bestemt 0,008 kelvin. Qubiten styres ved hjelp av mikrobølger.

Med en koherenstid på 0,1 millisekunder har IBM-forskerne greid å redusere feilprosenten i prøveberegninger til under 5. Da nærmer man seg altså en viktig terskel for praktisk gjennomførbarhet: Med feilrettende algoritmer vil feilprosenten realistisk kunne reduseres til 1. Forskerne tror det vil være mulig å bruke denne tilnærmingen for å bygge en kvantedatamaskin med opptil flere hundre qubit.

En annen serie med eksperimenter er beskrevet i Complete universal quantum gate set approaching fault-tolerant thresholds with superconducting qubits, en rapport som i skrivende stund ikke ser ut til å være tilgjengelig på nettet. Her er poenget det samme: Å øke koherenstiden. Eksperimentene er gjort på brikken vist øverst i denne artikkelen, med tre qubit realisert i en todimensjonal krets. Her har man prøvd en logisk operasjon av typen «controlled NOT» på to qubit, og oppnådd en feilprosent i underkant av 5, redusert til under 2 med feilretting. Her er koherenstiden i underkant av 0,01 millisekunder.

Krets med tre todimensjonale qubit, merket Q1, Q2 og Q3. Kretsens størrelse går fram av bildet øverst i denne artikkelen.
Krets med tre todimensjonale qubit, merket Q1, Q2 og Q3. Kretsens størrelse går fram av bildet øverst i denne artikkelen.
En todimensjonal qubit fra kretsen i det forrige bildet.
En todimensjonal qubit fra kretsen i det forrige bildet. Bilde: IBM

IBM mener at begge forsøksseriene er svært løfterike. Selskapet ser for seg en framtidig hybrid maskin der kvantedatamaskinen styres gjennom en spesialisert digital maskin. Det er selvfølgelig svært langt igjen til denne visjonen kan realiseres.

Til toppen