Skanna tillbaka genom gulfärgade kopior av vilken datortidning som helst och du kommer att hitta upprepade hänvisningar till att kvantdatorer är ”nästa stora grej” under det senaste decenniet eller mer. Så varför finns det inga kvantdatorer på hyllorna på PC World än?
Kvantdatorer finns, men du måste besöka laboratorierna hos företag som Google eller IBM – inte din lokala huvudgata – för att se dem. Om du gjorde det skulle det du skulle möta mycket annorlunda än den rektangulära lådan som brummar tyst under ditt skrivbord.
”Kvantdatorer är en helt ny teknik som egentligen har väldigt lite att göra med konventionella datorer”, säger Winfried Hensinger, professor i kvantteknologi vid University of Sussex. ”Kvantdatorer kommer att användas för saker där du inte kan lösa problemet på annat sätt. Så även den snabbaste superdatorn i världen kan ta miljoner eller miljarder eller år att beräkna något [that] en kvantdator kan beräkna.”
Så, om man lägger undan de vilseledande rubrikerna om kvantdatorer som tar över världen, vad är den verkliga framtiden för tekniken?
Den stora skillnaden
Att förklara hur kvantdatorer fungerar är svårt, eftersom det är så kontraintuitivt mot allt vi vet om datoranvändning – eller själva fysiken. Konventionella datorer använder bitar som kan ha ett av två värden, nämligen ett eller noll. Datorn skriver strängar av dessa ettor och nollor i minnet, bearbetar dem i sekvens och matar ut ett svar. Det avgörande är att en konventionell dator bara kan göra dessa beräkningar en i taget, moderna datorer gör det bara otroligt snabbt.
LÄS NÄSTA: Vad är kvantberäkning?
En kvantdator gör samma sak – med en viktig skillnad. Istället för bitar använder en kvantdator kvantbitar, eller qubits, som sin grundläggande informationsenhet. Till skillnad från en standardbit kan en kvantbit vara både en och noll.
”Inom kvantfysiken … kan en atom vara på två olika platser samtidigt,” förklarar Hensinger. ”För många år sedan gjorde jag ett experiment där jag fick en atom att röra sig framåt och bakåt samtidigt. Så tänk dig att du sitter i din bil, och när du kör i bilen framför dig när du går ut från parkeringen, så slår du också en bil bakom dig. Båda samtidigt.”
(Prof Winfried Hensinger, Credit: University of Sussex)
Denna effekt är känd som quantum superposition. På nivån av en enda qubit är det inte särskilt användbart. Om du lägger till ytterligare en qubit blir det dock intressant. ”När du har två kvantbitar kan du programmera noll-noll, noll-ett, en-noll, en-ett samtidigt”, säger Hensinger. ”Du kan lagra alla dessa möjliga kombinationer i dessa två kvantbitar, och nu, när dessa två kvantbitar går in i processorn, gör kvantprocessorn alla beräkningar samtidigt.”
Följaktligen ökar en kvantdators potentiella processorkraft exponentiellt med antalet adderade qubits. Tröskeln där kvantdatorer kan prestera bättre än vanliga datorer vid vissa uppgifter – en punkt som kallas kvantöverhöghet – är runt 50 qubits. Vid den tidpunkten skulle en kvantdator kunna utföra över en kvadriljon beräkningar samtidigt.
Att nå milstolpen
Det låter imponerande, men det är svårt att komma till 50-qubit-märket – en av anledningarna till att vi fortfarande pratar om kvantdatorer i labb snarare än serverstackar. Kvanttillstånd är extremt ömtåliga. Alla interaktioner med miljön kan lätt förstöra ett kvanttillstånd. Att bara observera en qubit i aktion kan tvinga den att ockupera ett enda tillstånd – förstöra superpositionen. Det är som att arbeta med en socialt motvillig, geni matematiker som bara kan arbeta om den lämnas ensam. Om hon så mycket som känner någon annan i rummet kommer hon att kollapsa fysiskt och inte kunna fungera.
”Det är som att arbeta med en socialt motvillig, geni matematiker som bara kan arbeta om den lämnas ensam”
För att undvika detta problem krävs intensiv och genialisk ingenjörskonst. För närvarande finns det flera olika tillvägagångssätt för att bygga en kvantdator. Den första av dessa är supraledande kvantdatorer, vilket är den metod som används av Google, IBM och Intel. Detta innebär i princip kylning av mikrochippet som för kretsen ända ner till kanten av absoluta nollpunkten (-273,15°C). Detta gör det möjligt för ström att flyta med nästan inget motstånd, den idealiska miljön för kvanttillstånd.
Den andra metoden är känd som ion-trap quantum computing, vilket är det område som Hensinger är specialiserat på. Denna metod innebär också att qubitarna kyls ned till absolut noll, men istället utförs den genom att två lasrar lyser mot atomerna som bildar qubitarna och justerar frekvensen så lasrarna kyler atomen direkt. Det har också en annan effekt. ”Det finns något som är mer spännande med fångade joner, vilket är att jonen faktiskt svävar”, säger Hesigner. ”De är inte kopplade till någonting. Och det är därför det är så lätt att manipulera fångade joner för att göra kvantportar.”
(En kvantdator med fångade joner använder två lasrar för att kyla qubits till nästan absoluta noll)
Båda tillvägagångssätten är fullt genomförbara för att bygga småskaliga kvantdatorer. Det nuvarande rekordet är runt 17 qubits, och både Google och IBM arbetar på 50-qubit supraledande kvantdatorer (i själva verket testade IBM nyligen en prototyp av en 50-qubit kvantprocessor). Men att slå kvantöverhöghet är bara det första steget. För att göra en kvantdator som kan göra vad som helst praktiskt krävs många fler qubits, som går upp i miljarder beroende på vilket problem du försöker lösa. För dessa typer av maskiner är de nuvarande arkitekturerna helt enkelt inte praktiska. Sådana maskiner skulle vara förbluffande enorma och enormt dyra att bygga och driva.
D-Wave-alternativet
Det finns ett annat tillvägagångssätt för kvantberäkning. Du kanske har hört talas om ett företag som heter D-Wave, som har konstruerat kvantdatorer med ett mycket större antal qubits än någon annan på området, och som senast påstår sig ha byggt en maskin på mer än 2 000 qubits. Men D-Waves maskiner skiljer sig mycket från de som byggs av Google och IBM. D-Waves datorer är så kallade quantum annealers, och de fungerar via en metod som kallas adiabatisk quantum computing.
Den viktigaste skillnaden mellan kvantglödgning och vad som kallas ”gate-model” kvantberäkning är att den utnyttjar den naturliga utvecklingen av kvanttillstånd. ”Vi brukar beskriva det som att göra beräkningar i ett lågenergitillstånd av ett interagerande kvantsystem”, säger Dr Elizabeth Crosson, expert på adiabatisk kvantberäkning vid Caltech Institute for Quantum Information and Matter. ”Dessa qubits … deras interaktioner bestämmer deras energier och idén med adiabatisk beräkning är att vara i det lägsta tillståndet.”
Detta innebär att kvantglödgare kan skala upp mycket snabbare eftersom miljön som kvantbitarna finns i endast förändras mycket gradvis. Men även om de kan vara lika kraftfulla som andra kvantdatorer, stöter qubitarna i sitt naturliga tillstånd på mycket ”brus”, vilket gör det svårt att göra meningsfulla beräkningar på dem. ”När det gäller prestanda hos D-Wave-maskinen är den konkurrenskraftig med moderna processorer med sina 2 000 qubits,” säger Crosson.
LÄS NÄSTA: Quantum computing blir myndig
Detta betyder inte att kvantglödgningsmedel ska bortses från. De är åtminstone ett bra proof-of-concept, och de är användbara för att lösa specifika typer av problem. Det är möjligt att de också kommer att uppnå kvantöverhöghet, om än med många fler kvantbitar än en universell kvantdator. Vad du förmodligen inte kommer att se med kvantglödgare är den enormt exponentiella ökningen av beräkningskraft som universella kvantdatorer kommer att ge.
”Folk säger ofta att den adiabatiska modellen faktiskt är en analog dator”, förklarar Crosson. ”Så även om du har bitar som din datatyp, eftersom du smidigt ändrar interaktionerna i systemet och det smidigt ändrar dina lågenergitillstånd, gör det det faktiskt till en form av analog beräkning. Om man tittar på historien om klassiska datorer, i de tidiga stadierna, var analoga datorer mycket viktiga och användbara. Och sedan på lång sikt blev de snabbare än digitala datorer.”
Vad kommer köra på dem?
Hårdvaran når en punkt där den är jämförbar i prestanda med nuvarande datorer. Men hårdvaran är bara hälften av historien. Liksom alla datorer kräver kvantdatorer programvara för att fungera. Som med hårdvaran, kvantmjukvara är väldigt olika, både i hur det hjälper kvantdatorn att fungera och dess praktiska tillämpningar.
Ett konstigt problem med att använda en kvantdator är att eftersom datorn utför många beräkningar samtidigt, levererar den också flera svar. Användaren vill naturligtvis bara ha ett svar. Men om du försöker läsa ut det svaret på fel sätt kommer kvanttillståndet att bryta ner och datorn kommer att spotta ut ett slumpmässigt svar. ”Om du vill använda den för beräkningar måste du lägga till en annan ingrediens i blandningen”, säger Harry Buhrman, professor i datavetenskap vid universitetet i Amsterdam och chef för forskningscentret för kvantmjukvara, QuSoft.
(Harry Buhrman. Kredit: University of Amsterdam)
Denna ingrediens är känd som interferens, ett fenomen där partiklar fungerar som vågor. ”I poolen har du vågor, och sedan om du gör två på två sidor av din pool, då stör de där de möts”, förklarar Buhrman. ”De kan störa konstruktivt och du får högre vågor, eller så kan de störa destruktivt och du får inga vågor. Samma sak är vad vi vill göra med kvantberäkning, och det är att du gör den här överlagringen av alla dessa beräkningar, men sedan låter naturen dig få dem att störa varandra. Om du gör det här på rätt sätt stör du beräkningarna som du inte vill se bort, och du förstärker de som du vill se.”
Detta är mycket knepigt att uppnå, eftersom typen av interferensmönster du vill ha ändras beroende på vilken typ av beräkning du försöker utföra, och även då fungerar det bara för vissa typer av problem.
Så, vad exakt är kvantdatorer användbara för? För nuvarande och nära framtida kvantdatorer – de som uppnår kvantöverhöghet med 50 till 100 qubits – är svaret inte särskilt mycket alls. ”Den sorts problem som vi tittar på är väldigt matematiska till sin natur”, säger Michael Bremner, professor i kvantberäkning vid University of Technology Sydney, som specialiserar sig på dessa specifika problem av nuvarande generation. ”De handlar mer om att utveckla milstolpar och benchmarking-enheter. Den sortens algoritmer jag arbetar med just nu, de är slumpmässiga beräkningar, som, om du tittar på utdata, skulle det ta dig en mycket, väldigt stor mängd bearbetning för att förstå att det kommer något annat än fullständiga slumpmässiga förhållanden ur enheten.”
Även när vi kommer fram till praktiska kvantdatorer, som kan ta ytterligare 20 år, kommer de bara att prestera exponentiellt snabbare än en konventionell dator för ett begränsat antal applikationer. Den kanske viktigaste av dessa är deras förmåga att simulera andra kvantsystem, nämligen atomära strukturer och kemiska reaktioner. Elektroner runt en atom finns också i superposition, och med nuvarande datorer är det väldigt svårt att beräkna hur de beter sig. ”Varje gång du lägger till en elektron fördubblas möjligheterna, eller till och med mer än fördubblas, och med bara ett väldigt få antal elektroner är möjligheterna så stora att vi inte kan beräkna längre vad som händer på vår klassiska dator,” förklarar Buhrman. ”Men på en kvantdator, som till sin natur är kvantmekanisk, kan du simulera dessa reaktioner.”
Att kunna simulera kemiska system med sådan noggrannhet kan göra det möjligt för oss att designa bättre mediciner, bättre material och se över vår förmåga att förstå hur universums grundläggande byggstenar fungerar, vilket är en ganska stor sak.
När kvantdatorer kommer till platsen kommer kryptering med offentlig nyckel inte längre att vara säker
Den andra vanligt förekommande funktionen hos praktiska kvantdatorer är deras förmåga att knäcka kryptering med offentlig nyckel, som den som används av moderna webbläsare. När kvantdatorer kommer till platsen kommer denna form av kryptering inte längre att vara säker. Detta är inte nödvändigtvis den mest spännande användningen av kvantdatorer, men det är utan tvekan den mest relevanta.
Faktum är att Buhrman är angelägen om att betona betydelsen av denna förmåga, och hur det är brådskande att vi reagerar på det nu, även om storskaliga kvantdatorer ännu inte existerar. ”Vad som kommer att hända är att människor kan fånga upp den här informationen. De kan inte läsa den, de kan inte dekryptera den, men de kan lagra den och spara den för senare, och sedan när kvantdatorn är tillgänglig kan de dekryptera vad [is] skickas nu.”
Det finns nya metoder för kryptering som för närvarande undersöks för att motverka denna framtida sårbarhet. Man involverar helt enkelt mer komplex kryptering på klassiska datorer, som Googles Nytt hopp program. ”Problemet här är att vi aldrig är säkra på att detta faktiskt inte kan brytas av kvantdatorer”, konstaterar Buhrman. ”Kanske kommer någon på en snabb algoritm snart och bryter den.”
Den andra metoden går ut på att skicka information krypterad i ett kvanttillstånd som fotoner längs en fiberoptisk kabel. Detta skulle fungera eftersom det ögonblick någon försökte fånga upp informationen, skulle kvanttillståndet störas, vilket varnar avsändaren om avlyssningen. För närvarande fungerar detta bara över korta avstånd på runt 300 kilometer. ”Problemet är att om du skickar fotoner genom fiber, vilket är hur qubits kodas, så kommer faktiskt fibern att observera fotonerna.”
Det är dessa funktioner vi vet att kvantdatorer utmärker sig på. Men sanningen är att det kan finnas många framtida applikationer som vi helt enkelt inte kan förutsäga, precis som pionjärerna inom konventionell datoranvändning på 1940-talet inte kunde förutsäga att vi skulle använda dem idag för världsomspännande kommunikation och delning av information. Det är fullt möjligt att kvantdatorer kommer att förändra världen på sätt som vi omöjligt kan föreställa oss.
Tillbaka till verkligheten
Men låt oss sluta titta på stjärnan. Människor har gjort storögda förutsägelser om effekterna av kvantdatorer i decennier. Finns det några starka bevis för att dessa saker är allt annat än den ultimata vapourwaren?
Det omedelbara nästa steget är kvantöverhöghet. Det är mycket troligt att en kvantdator kommer att utföra en mycket konstruerad beräkning snabbare än en konventionell dator under de kommande åren eller två, men det kommer inte att vara en enkel process. ”Nästa sak är att någon kommer att säga ’Ja, jag kan köra det på min superdator, och här är data'”, säger Bremner. ”Det jag är intresserad av just nu, vad jag utvecklar som nästa steg, är att visa hur man kan göra detta på ett entydigt sätt.”
När överhöghet har bekräftats, då handlar det om att öka qubits till den punkt där kvantdatorer kan lösa praktiska problem. Normalt beräknas detta vara upp till 20 år bort. Men nyare forskning av Hensinger och hans elever kan minska denna uppskattning dramatiskt.
Förra året publicerade Hensinger och hans team ett dokument som visade att istället för att använda lasrar för att fånga joner, kan samma resultat uppnås genom att lägga en spänning på ett mikrochip. ”Vi har typ förenklat problemet på ett sätt som är detsamma som en konventionell dator, det vill säga att du har transistorer i en konventionell datorprocessor, och det är i princip att applicera en spänning för att exekvera en logisk gate,” säger han.
Detta ledde till utvecklingen av en ritning för en storskalig kvantdator. ”När jag säger storskalig, vad menar jag? Jag menar inte 50, eller 70, eller 85 eller 250 [qubits], jag menar en miljard.” Hensinger och hans team håller för närvarande på att konstruera en prototyp av datorn i hans Brighton-labb, som han uppskattar kommer att vara färdig inom de närmaste 18 månaderna till två år.
Quantum computing kommer. ”För mig själv, någon som har arbetat på teorisidan, är det ganska fantastiskt att vi kommer till den punkt där vi ska testa några av de saker jag har arbetat med”, säger Bremner.
Men tänk om de efter all möda når den punkt där de slår på saken och det inte fungerar? ”Punkten vi är nu i kvantberäkningar, antingen kommer det att fungera som vi förutspådde att det skulle fungera, eller så kommer vi att lära oss om ny fysik som vi inte visste något om,” säger Bremner. Här hoppas han att han inte får tröstpriset.
Ledbild: Prof Winfried Hensinger och Dr Seb Weidt med en kvantdatorprototyp. Kreditera: University of Sussex
