Artikkel

Fremtidens supermaskin

Kvantedatachip fra D-wave
En microchip til kvantedatamaskinen D-wave. Foto: Wikimedia Commons

Fremtidens supermaskin

Kvantedatamaskinen kan være det neste store, men også noe ganske annet enn de datamaskinene vi er vant til.

Joakim Bergli
Ekspert på kvantedata professor Joakim Bergli. Foto: Hilde Lynnebakken /UiO

Universitetet i Oslo har utviklet et sterkt forskningsmiljø rundt kvantedata og vi har spurt professor Joakim Bergli ved Fysisk institutt, om hva denne type datamaskiner betyr allerede nå og hva vi de vil bety i fremtiden.

– Kvantedatamaskiner finnes allerede! Google har for eksempel en. Det er bare det at de kan gjøre ganske lite. Vi bruker dem allerede i dag til kryptologi, men lite annet.

Men det er en grunn til at det forskes på kvantedatamaskiner.

– På 90-tallet kom den amerikanske matematiker Peter Shor med noen algoritmer for kvantedata. Disse kvantealgoritmene, også kalt Shors algoritmer, kunne faktorisere eksponentielt mye raskere enn de beste algoritmene for klassiske datamaskiner.

Kort fortalt er kvantedatamaskiner mye sterkere i regning enn en vanlig datamaskin.

Betyr det at fremtidens supermaskin å være raskere, bedre og mindre enn dagens? Svaret for kvantedatamaskinen finnes et sted mellom «ja» og «nei».

Fra bit til qubit

Grunnen til at en kvantemaskin er sterkere enn en vanlig maskin er såkalte kvantebiter, bedre kjent som qubits. En vanlig PC bruker bits, som enten kan være 1 eller 0.

– Klassiske datamaskiner er jo bygd opp på bakgrunn av bits, som er den minste enheten med informasjon. En bit kan ha én av to verdier, vanligvis representert ved «0» og «1». Men «sann» og «usann», «opp» og «ned» eller en hvilken som helst annen kombinasjon av to gjensidig utelukkende tilstander kan brukes til å beskrive dette.

I kvantedata er altså «bit» erstattet med «qubit».

Og en Qbit har den fantastiske egenskapen at den kan være 1 eller 0, men også en kombinasjon av begge.

Dette øker regnekraften enormt. Tre qubit er for eksempel det samme som 24 vanlige bits. Og forskjellen i regnestyrke blir eksponentielt høyere for hver nye qubit.

Det er læren om de supersmå ting -kvantefysikken - som gjør dette mulig. I kvantefysikken finnes et «knep» som kalles superposisjon.

– Et elektron kan være i en superposisjon. Det vil si at det finnes tilstander der elektronet spinner både opp og ned samtidig. Begge mulighetene vil være til stede inntil vi måler tilstanden. Da realiseres en mulighet, og de andre forsvinner.

– Et slikt system som kan settes i en superposisjon av to muligheter kaller vi kvantedatasammenheng en qubit, forklarer Bergli.

Fyller et helt rom

Når en datamaskin blir avhengig av hvordan et elektron spinner da blir det en litt annerledes maskin enn vi er vant til. Elektroner er ubegripelig små og veldig ømfintlige for påvirkning utenifra. Det betyr at en kvantemaskin bare kan fungere i et veldig tilpasset miljø.

Bilde av kvantedamaskine D-wave
Et av de få selskapene som selger kommersielle kvantedatamaskiner er D-Wave. Deres nye modell D-Wave 2X skal ifølge produsenten kunne løse mye mer kompliserte oppgaver enn vanlige datamaskiner. Foto: Wikimedia Commons/D-wave Systems.

– Man må ha en veldig god kontroll over elektronspinnet. Det betyr at man trenger en kraftig nedkjøling for å unngå for mye bevegelse. Alt som inneholder informasjon kan ødelegge for prosessen. Elektronet må være beskyttet fra omgivelsene og dette er noe vi jobber med her på UiO. Hvordan få en upåvirket kvanteprosess. 

Det betyr at en kvantedatamaskin er svært langt fra en MacBook Air.

– Ja, en kvantedatamaskin vil i dag ikke være noen «handy» laptop. Den vil se mer ut som et velfylt laboratorium, og trenger masse tilleggsutstyr både for nedkjøling og til kontroll av prosessene. Men det vil sikkert endre seg år det blir klart hvilke fysiske systemer som er best egnet og hvordan de kan kontrolleres.

Ikke send en e-post med din kvantedatamaskin

Det som er forlokkende med kvantedatamaskinen er at den kan bli fantastisk på utregninger og er allerede et vidunder på koding.

Dette er fordi den er utrolig god når det gjelder faktorisering av tall.

– En kvantedatamaskin kan innen rimelig tid gjennomføre faktoriseringer som det ville tatt milliarder av år for en vanlig datamaskin å gjennomføre. Vi kjenner i dag en rekke slike problemer der kvantedatamaskinene er mer effektive enn vanlige.

LES MER: Relativitetsteorien runder 100: I november i 2015 var det 100 år siden Albert Einstein la frem teorien som regnes som det største gjennombruddet i fysikkens historie og gjorde Einstein selv til superstjerne.

Bilde av datamaskin
Datamaskiner slik vi kjenner dem i dag vil mest sannsynlig være best også i fremtiden når det gjelder informasjon. Illustrasjon: Colourbox

Men til nå har kvantedatamaskinen vist seg å være dårlig på en viktig ting, nemlig lagring av informasjon.

– Det meste av det vi bruker vanlige datamaskiner til i dag vil også slike datamaskiner være best på i fremtiden. Det vil si som verktøy til skrivearbeid, sende e-post osv. Men det er veldig vanskelig å spå når det kommer til teknologi. På 50-tallet var en personlig datamaskin for eksempel utenkelig.

Og du bør være forsiktig med å videresende e-post med din nye kvantedatamaskin.

– Ja, det er «litt» mer tungvint enn med vanlig e-post, for å si det sånn.

Fordi:

– En klassisk bit kan kopieres så mange ganger vi vil. Men hvis vi måler på en qubit i en superposisjon av 0 og 1 vil vi få enten 0 eller en som resultat. Vi sier at bare en av mulighetene realiseres, og tilstanden påvirkes av målingen. Det betyr at vi ikke får full informasjon om tilstanden, slik at vi ikke kan lage en eksakt kopi, og vi har ødelagt, eller i hvert fall forandret, originalen.

– Det betyr at om du sender meg en kvante-e-post, så kan jeg ikke sende en kopi videre. Hvis jeg vil at noen andre skal få den, så må jeg sende originalen videre, og kan ikke beholde noe selv.

Når kommer supermaskinen?

Bergli er også usikker på når kvantedatamsinen vil komme i skikkelig bruk.

– I 25 år har folk snakket om at et gjennombrudd kommer innen 10-15 år. Det er vanskelig å si om det kommer eller ikke. Men flere enn før jobber med dette og det kan åpne for gjennombrudd. Men «bottom line», vi vet ikke.

Les mer:

Big Bang trenger Big Data

Samlet for å hylle Egil Hylleraas. Nordmannen som var en pioner innen beregningsorientert kvantemekanikk.

Titan – mikroskipet som kan "se" atomer

Kontakt:

Joakim Bergli, professor i kondenserte fasers fysikk ved Fysisk institutt

Les også

Mosken

Tidevannet kan sende torskeyngelen ut av kurs

Tidevannet kan ha overraskende mye å si for hvordan torskeyngelen blir ført fra Lofothavet til Barentshavet. Det kan ha betydning i valget av hvilke havområder som bør vernes mot mulig fremtidig oljeutvinning.

Tanzania

Det elektroniske avfallets videre liv skal granskes

Elektronikk vi i Norge har avskrevet som søppel, kan bli folks levebrød i Tanzania. Det utsetter både dem og omgivelsene for problematiske miljøgifter  som med vinden også kan finne veien til Arktis og Antarktis.

Forskere ved CTCC og Hylleraas-senteret

Forskerne ved Hylleraas-senteret jakter på kjemiens hellige gral

Forskerne ved Hylleraas-senteret i Oslo og Tromsø jakter på kjemiens hellige gral: De vil bruke datamaskiner til å beregne hvordan kjemiske bindinger brytes og lages. Det kan nemlig gi oss en rekke nye kjemiske stoffer med egenskaper vi bare kan drømme om i dag.