Kvantechip sender din PC på plejehjem

Kvantecomputeren udnytter kvantemekanikkens spilleregler til at lave kraftige udregninger, som overstiger den menneskelige fatteevne. Kvantemekanikken er en gren inden for fysikken, der beskæftiger sig med fotoner, elektroner og atomkerner.

Disse mindste byggesten i universet opfører sig stik imod al fornuft. To partiklers tilstande kan fx være forbundne med hinanden, selvom partiklerne er fysisk adskilt over store afstande, og en enkelt partikel kan befinde sig to forskellige steder på samme tid.

Ved at simulere naturens komplekse fysiske og kemiske processer på atomart niveau kan kvantecomputeren bl.a. hjælpe forskerne med at udvikle ny, effektiv medicin og opfinde superledende materialer, der er i stand til at lede elektricitet igennem sig uden energitab.

Skal kvantecomputeren sparke døren ind til en ny videnskabelig guldalder, kræver det dog, at forskerne bag den nye teknologi overvinder en række udfordringer.

Qubit kan være alle steder samtidig

Kvantecomputerens regnekraft kommer fra såkaldte kvantebits, forkortet qubit. I en almindelig computer opbevares data som bits, der kan have en ud af to mulige værdier – 0 eller 1. Fire klassiske bits, kan tilsammen skabe 16 forskellige kombinationer af data - (0000, 0001, 0010 osv.) – men den klassiske computer kan kun arbejde med én af disse kombinationer ad gangen.

Qubit kan indeholde begge værdier – altså både 0 og 1 – på én gang. Dette kaldes også for superposition. Den tilstand gør computeren i stand til at arbejde med alle 16 kombinationer af data samtidig. For hver qubit, der tilføjes, stiger computerkraften eksponentielt. En kvantecomputer med 300 qubit kan ifølge forskerne foretage flere udregninger på samme tid, end der eksisterer atomer i universet.

0 og 1 stammer fra det binære talsystem, som computerne har bygget deres beregninger på, siden dengang computerne fyldte en dagligstue og brugte radiorør i stedet for transistorer.

For at de binære tal kan bruges i en computer, skal de repræsenteres af noget fysisk. Det bliver de i computerens mikrochip, hvor millioner af mikroskopiske transistorer enten kan åbne eller lukke af for strømmen på mikrochippen. En åben transistor svarer til værdien 1 og en lukket svarer til værdien 0. Jo, flere transistorer, mikrochippen indeholder, desto mere information kan computeren håndtere ad gangen.

Skrøbelig chip er lagt på is

Google’s kvantecomputer Sycamore og IBM’s ditto, IBM Q System One, knuser også data ved hjælp af mikrochips. I stedet for millioner af transistorer, som spytter 0 og 1-taller ud, indeholder kvantecomputerens “hjerne” kun ganske få qubit. Google’s Sycamore-chip råder over 53 qubit i alt, mens IBM Q System One indeholder 20.

Qubits er fremstillet af grundstoffet niobium og præget ind i en chip af silicium - det samme materiale, som almindelige computerchips fremstilles af. Ved at adskille to elektroder af niobium med en tyndfilm af aluminium-oxid, opstår der en såkaldt Josephson-kontakt, som gør det muligt at skabe kvantemekanisk superposition. En Josephson-kontakt opstår kun, når materialet er superledende, det vil sige, at det ikke har nogen elektrisk modstand.

Og her opstår de største udfordringer i forhold til at designe en kvantecomputer, som kan afløse PC’en på kontorer og i privathjem verden over.

Fordi kvantemekanikkens egenskaber først viser sig helt nede i de allermindste størrelsesforhold, skal der næsten intet til at forstyrre beregningerne. Selv et enkelt atom eller en luft- eller lyspartikel kan slå de skrøbelige qubit ud af kurs, så de mister deres superposition.

Derfor befinder den lille kvantechip i både IBM og Google’s laboratorier på bunden af en fryser i et stort kabinet af komponenter bestående af guld og kobber, som køler chippen ned til tæt på det absolutte nulpunkt, der er på -273,15 grader celsius. Konstruktionen kaldes en dilution refrigerator eller cryostat og er en forudsætning for, at forskerne overhovedet kan lave beregninger i en kvantechip.

Det forklarer også, hvorfor kvantecomputerne indtil videre ikke indeholder flere qubit. Jo flere qubit, der er til stede, jo sværere er det at fastholde dem i superposition over længere tid, fordi risikoen for udefrakommende elektriske forstyrrelser stiger eksponentielt med antallet af qubit.

Kvantespring venter forude

Trods de store fremskridt, særligt Google og IBM har gjort med deres kvantecomputere, er der altså stadig lang vej til, at den særligt kraftige computer bliver hvermandseje.

Hvis kvantecomputeren skal kunne installeres i almindelige hjem, er dens følsomme processor sandsynligvis nødt til at kunne arbejde ved stuetemperatur. Desuden har Googles kvantecomputer "kun" slået en supercomputer i et særligt kompliceret regnestykke konstrueret til formålet. Den næste store milepæl bliver at få kvantecomputeren til at løse et nyttigt problem.

Skal det lykkes, er kvantecomputeren nødt til at være i stand til at arbejde med tusinder og måske endda flere millioner qubits ad gangen, vurderer forskerne. Og det er svært, da strukturen af qubit i Google og IBM’s kvantecomputere minder om et korthus, der risikerer at falde sammen ved selv den mindste udefrakommende støj.

Men måske en tredje IT-gigant, Microsoft, har løsningen på problemet. De arbejder nemlig på at omgå kvantecomputerens skrøbelige struktur via et såkaldt topologisk kredsløb af kvantebit. Designet fungerer i stil med Lego-klodser, der forbinder qubit med hinanden som mursten i et hus og derved gør computeren mindre skrøbelig.

Om det bliver Microsoft, Google, IBM eller en helt fjerde, som giver kvantecomputeren sit endelige gennembrud, er umuligt at spå om. Én ting er dog sikkert: kapløbet om at få rykket kvantecomputeren ud af laboratoriernes iskolde fryseanlæg og for alvor bevise teknologiens værd er for alvor skudt i gang.