Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Nutidens kvantecomputere er komplekse maskiner, der skal køles ned nær det absolutte nulpunkt for at fungere.

© Google
Teknologi

Kvantechip sender din PC på plejehjem

For nyligt lavede Googles kvantecomputer et regnestykke på under fire minutter, som det vil tage verdens kraftigste computer 10.000 år at udregne. Dermed er kimen lagt til verdens første fuldt funktionelle kvantecomputer, som kan producere mere effektiv medicin, skabe klogere kunstig intelliges og afsløre nogle af Universets største hemmeligheder.

I 2012 fremsatte den teoretiske fysiker John Preskill formuleringen om quantum supremacy - kvantum overlegenhed. Han definerede det som øjeblikket, hvor kvantecomputere bliver i stand til at gøre ting, som ikke er muligt for almindelige computere.

Syv år senere, i efteråret 2019, nåede Googles kvantecomputer Sycamore denne milepæl. På 200 sekunder løste kvantecomputeren et regnestykke konstrueret af matematikere til at være så uløseligt, at det ville tage verdens kraftigste supercomputer, IBM's Summit, ca. 10.000 år at nå frem til facit. Googles kvantecomputer er med andre ord ca. 158 mio. gange hurtigere end verdens hurtigste supercomputer.

Den kinesiske kvantecomputer Zuchongzhi er opkaldt efter en matematiker fra det 5. Århundrede, Zu Chongzhi, der udregnede pi med en nøjagtighed, som ikke blev slået i 800 år.

© Han-Sen Zhong et al., arXiv

Kina slår Google af pinden som kvante-hersker

Nu har kinesiske forskere udviklet en kvantecomputer, der vipper Sycamore af pinden som den mest kraftfulde kvantecomputer.

Den kinesiske kvantecomputer kaldet Zuchongzhi, tog førstepladsen, da den foretog et regnestykke, der er 100 gange mere udfordrende end det Googles kvantecomputer foretog sig, for at blive verdens mest kraftfulde computer.

Googles processor er bygget af 54 qubits, mens den kinesiske kvantecomputer er bygget med 66 qubits.

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.

Googles kvantechip, Sycamore, består af 53 qubit. De fungerer kun under ekstrem kulde med temperaturer tæt på -273,15.

© Google

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.

Kvantecomputeren multitasker

En klassisk computer arbejder med såkaldte bits, der har værdi af enten 0 eller 1. Sådan er det ikke med kvantecomputeren. Den udnytter kvantefysikkens love til at være begge tilstande samtidig – såkaldt superposition. Det gør kvantecomputeren i stand til at foretage vanvittigt mange beregninger på samme tid.

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.

Kulde holder qubit knivskarpe

Ekstreme frostgrader på knap 300 minusgrader er nødvendig for at fastholde kvantechippens skrøbelige qubit i superposition over længere tid. Kulden forhindrer selv den mindste luft- eller lyspartikel i at trænge igennem og slå qubit ud af kurs.

Fryseelement forstærker qubit-signalet

Øverst i kvantekøleskabet bliver temperaturen nedkølet til fire kelvin - altså fire grader over det absolutte nulpunkt på minus 273,15 grader celsius. Denne komponent er én ud af i alt to, som forstærker de signaler, der sendes til og fra kvantecomputerens processor.

Mikrobølger dæmper ødelæggende signalstøj

Qubit er enormt sensitive over for udefrakommende støj, og selv en enkelt luft- eller lyspartikel kan slå qubittene ud af kurs, så de mister superpositionen og ikke længere kan lave beregninger. Mikrobølger dæmper derfor konstant al elektronisk støj, så de skrøbelige qubit får optimale arbejdsforhold.

Blandingskammer lægger processor på køl

Her blandes to helium-isotoper, helium-3 og helium-4. Blandingen gør det muligt at afkøle kvanteprocessoren ned til 15 millikelvin – hvilket er 15 tusindedele af en grad over det absolutte nulpunkt. Gassen fra de to isotoper cirkuleres rundt i kølerør.

Skjold beskytter qubit mod strålefare

Kvanteprocessoren sidder bag et såkaldt Cryoperm-skjold. Skjoldet har en legering af nikkel og er fuldstændig lys- og lufttæt, så ingen stråling kan finde vej ind til computerens motor.

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.

Læs også:

Log ind

Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
Vis Skjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klik hér

Ny bruger? Få adgang nu!

Nulstil adgangskode

Indtast din email-adresse for at modtage en email med anvisninger til, hvordan du nulstiller din adgangskode.
Ugyldig e-mailadresse

Tjek din email

Vi har sendt en email til med instruktioner om, hvordan du nulstiller din adgangskode. Hvis du ikke modtager emailen, bør du tjekke dit spamfilter.

Angiv ny adgangskode.

Du skal nu angive din nye adgangskode. Adgangskoden skal være på minimum 6 tegn. Når du har oprettet din adgangskode, vil du blive bedt om at logge ind.

Adgangskode er påkrævet
Vis Skjul