Forskere planlægger kvantecomputer så stor som to fodboldbaner
Mikrobølger og elektrisk ladede atomer fanget i mikrochips udgør de vigtigste ingredienser i en ny opskrift på en modulær kvantecomputer, som ingeniører og fysikere – herunder en dansker – står bag.
Kvantecomputerchip

Den sorte mikrochip i midten er en ionfælde, der fungerer som en lille kvantecomputer.  Nu skal mange chips sættes tæt sammen, så computeren kan bruges til noget. (Foto: University of Sussex)

En international gruppe af forskere, herunder professor Klaus Mølmer fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, satte sig for at finde ud af, hvordan man rent praktisk kan bygge en brugbar kvantecomputer baseret på eksisterende teknologi.

Historien kort
  • Fysikere og ingeniører giver opskriften på en stor kvantecomputer
  • Computeren skal sættes sammen af mange små moduler
  • En kvantecomputer på størrelse med to fodboldbaner kan løse problemer, som ingen traditionel computer kan klare

Nu er resultatet klar i form af en artikel i det videnskabelige tidsskrift Science Advances. I artiklen beskriver forskerne, hvordan man kan opbygge en stor kvantecomputer af mange mindre moduler, der sættes præcist sammen.

»Det er egentlig mere en ingeniørmæssig vurdering, end det er et videnskabeligt gennembrud, vi har præsenteret. Nu har vi snakket længe nok om at bruge disse fantastiske kvantemekaniske principper til en ny slags computer – nu vil vi vise, hvad der egentlig skal til for at bygge en kvantecomputer, der kan løse virkelig svære opgaver,« siger Klaus Mølmer.

Sættes sammen som legoklodser

Godt nok arbejder kvantecomputere med naturens mindste dele som atomer eller fotoner, men alligevel kan der være gode grunde til at gå efter en stor kvantecomputer, der virkelig er til at tage og føle på. Sådan en kan nemlig være nemmere at opbygge og kontrollere.

Kvantecomputermodul

Forskerne forestiller sig en stor, kraftig kvantecomputer sat sammen af moduler, der kan komme til at ligne denne model. (Foto: University of Sussex)

»Vi har taget den nyeste teknologi og udviklet den hen imod den arkitektur, som vi foreslår. Det er en modulær struktur, nærmest som legoklodser, hvor man sætter mange små kvantecomputere sammen til én stor. Det tror vi godt kan lade sig gøre,« lyder det fra Klaus Mølmer.

Kvantecomputeren skal bestå af mikrochips, der rummer ladede atomer – ioner – som fungerer som kvantebits. Ionerne bliver fanget i et elektrisk felt i chippen, og når computeren skal regne, kan der flyttes rundt på de enkelte atomer, så informationer kan overføres mellem ionerne. En af de store udfordringer bliver at vise, at man ikke bare kan flytte ioner rundt på en enkelt chip, men også imellem chips.

»Det virker realistisk«

»Det ser meget spændende ud. De foreslår et komplet design for en universel kvantecomputer. Jeg tror ikke, jeg har set en så konkret og detaljeret arbejdstegning for en kvantecomputer før. Det virker realistisk,« siger professor Ulrik Lund Andersen, der forsker i kvanteinformationsteknologier på Institut for Fysik ved Danmarks Tekniske Universitet, og som har kigget på den videnskabelige artikel.

»Det er en meget attraktiv måde at bygge en kvantecomputer. Problemet i dag er netop, at det er svært at skalere sådan en. I dag kan man bygge en ganske lille kvantecomputer med få kvantebits – verdensrekorden er vist 14 – så stadig flere grupper kigger på, om det er muligt at koble mindre moduler sammen på en sådan måde, at det bliver til én stor kvantecomputer.«

Forskerne foreslår en kvantecomputer bygget op af moduler. De skal sættes så præcist sammen, at enkelte, ladede atomer kan flyttes imellem dem. (Video: Lekitsch et al./Sci. Adv.)

For blot fire-fem år siden brugte fysikerne al deres energi på at kontrollere enkelte atomer, elektroner eller fotoner og få dem til at vekselvirke med hinanden, men nu handler det også om ingeniørkunst og om kvantecomputerens design og arkitektur, fortæller Ulrik Lund Andersen:

»Det har flyttet sig fra fysik til ingeniørkunst. Derfor er der også flere og flere firmaer, der interesserer sig for kvantecomputere – de kan se, at det kan blive virkelighed en dag. Men der er stadig store udfordringer, der skal overvindes, så der går en del år, før den universelle kvantecomputer står klar i kulissen.«

Mikrobølger manipulerer med kvantebits

For at få kvantecomputeren til at virke, skal atomerne bringes i særlige, kvantemekaniske tilstande. I en ion-baseret kvantecomputer vil det normalt gøres ved hjælp af laserstråler, som ganske præcist kan ramme de enkelte atomer.

Men hvis der skal manipuleres med mange atomer, er det upraktisk med laserstråler. Der skal simpelthen bruges for mange lasere, så her foreslår forskerne at bruge mikrobølger i stedet.

»For at få en kvantecomputer til at fungere, skal man kunne lave regneoperationer på enkelte bits og på to bits ad gangen. Det er allerede blevet demonstreret med mikrobølger i den type ionfælder, som vores design er bygget på,« fortæller Klaus Mølmer.

Forskerne vil dog stadig bruge laserstråler til at få ionerne på plads til at starte med og til at udlæse resultatet, når kvantecomputeren har regnet færdig.

På University of Sussex i England er de gået i gang med at konstruere modulerne, men der går nok tre-fire år, før to moduler kan sættes sammen. Hvis de først kan få to moduler til at fungere sammen, kan det gå stærkt med at bygge en større computer, der virkelig kan udrette noget.

På størrelse med et par fodboldbaner

Der skal dog noget til, før det virkelig batter. Forskerne har spurgt sig selv, hvor stor en kvantecomputer, der så skal til for at løse et problem, som konventionelle supercomputere ikke kan klare, nemlig at primtalsfaktorisere et 2048-bit tal.

2048-bit tal

Hvilke to primtal skal ganges sammen for at få dette tal? Det lyder måske som et nemt matematisk problem, men det kan kun løses af en kvantecomputer som den, forskerne forestiller sig.

Det er nemt at gange to primtal sammen, men straks meget sværere at finde ud af, hvilket to primtal, der ganget sammen giver et bestemt tal – især hvis tallet er så ekstremt stort, at det skal skrives med hundredvis af cifre. Det ville en almindelig supercomputer være så lang tid om at beregne, at Jorden ville nå at gå under, inden resultatet kom. Men en kvantecomputer kan klare det meget hurtigere.

En modulær kvantecomputer som den, forskerne nu foreslår, skal nu have en vis størrelse for at kunne klare opgaven. Faktisk viser udregningerne, at den skal være omtrent lige så stor som to fodboldbaner – godt en hektar (100 x 100 meter).

Sådan en computer ville være i omegnen af 110 dage om at komme frem til løsningen på det regnestykke, som ingen eksisterende supercomputer kommer i nærheden af at kunne klare på milliarder af år.

I videoen herunder fortæller professor Winfried Hensinger fra University of Sussex om kvantecomputeren, som hans hold er gået i gang med at bygge.

(Video: Ion Quantum Technology Group, University of Sussex)

 

Det sker