Ny stikkontakt bringer os tættere på kvantecomputeren
Forskere har længe arbejdet på at konstruere en super hurtig computer. Med konstruktionen af en kvantemekanisk stikkontakt, er kvantecomputeren nu kommet et skridt nærmere.
Kvantecomputer kvantestikkontakt binære tal supercomputer lynhurtig

En klassisk computer arbejder med information udtrykt i bits, som er en serie af 0 og 1-taller. I en kvantecomputer kan en bit være 0 og 1 samtidig. (Foto: Shutterstock)

En klassisk computer arbejder med information udtrykt i bits, som er en serie af 0 og 1-taller. I en kvantecomputer kan en bit være 0 og 1 samtidig. (Foto: Shutterstock)

Drømmen om en kvantecomputer er stadig bare en drøm, men nu har et canadisk forskerhold skabt en opfindelse, der måske kan bringe den nærmere.

Den såkaldte kvantestikkontakt kan blive det, der bygger en solid og gangbar bro mellem de bittesmå kvantemekaniske objekter inde i kvantecomputeren og den synlige verden, som vi kender den.

Kvantemekaniske objekter er objekter, der er så små – typisk af molekylestørrelse eller mindre – at de styres af kvantemekanikkens love, der er meget anderledes end dem, der gælder for den synlige verden omkring os. 

Kvantecomputer og qubits

En klassisk computer arbejder med information udtrykt i såkaldte bits, en serie af 0 og 1-taller. Den udfører sine beregninger ved at ændre på disse bits.

Fysisk kan disse bits f.eks. være forskellige elektriske spændingsniveauer, men uanset hvad bitsene fysisk består af, kalder man dette for det fysiske basis for bitsene.

Et bit, hvis fysiske basis er et kvantemekanisk objekt, f.eks. en foton, et atom, en ion eller et molekyle, overtager disse objekters kvantemekaniske egenskaber. Et sådant bit kaldes et quantum bit, forkortet qubit.

Kvantemekaniske objekter styres af kvantemekanikkens love, som er meget anderledes end dem, der gælder i den klassiske fysik, og disse egenskaber overføres til de qubits, som de er fysisk basis for. 

Man taler om kvantefysik versus klassisk fysik. I kvanteverdenen kan objekter være i blandingstilstande, hvor de på en måde er flere steder eller bevæger sig med flere hastigheder på en gang.

Med kvantecomputeren kan man anvende disse bizarre egenskaber til at udføre beregninger af en art, der ikke er mulige med en klassisk computer. Hermed kan den f.eks. bryde koder eller finde data langt hurtigere end en almindelig computer.

En kvantecomputer er ikke nem at lave

En kvantecomputer er en computer, hvis logiske operationer baserer sig på kvantemekaniske objekter, frem for objekter fra den klassiske fysik, som i en normal computer. Disse kvantemekaniske objekter kaldes quantum bits –forkortet qubits – i modsætning til de såkaldte bits en traditionel computer arbejder med. 

Jagten på kvantecomputeren drives blandt andet af den teknologiske udvikling mod stadig hurtigere computere, der kræver stadig mindre komponenter. Skal den udvikling fortsætte, bliver computerkomponenterne før eller senere så små, at vi derved overgår til kvanteverdenen.

En af vanskelighederne ved at konstruere en funktionel kvantemekanisk computer er, at det er problematisk at skabe en effektiv og stabil forbindelse mellem den synlige verden og de bittesmå kvantemekaniske objekter, typisk af molekylestørrelse, som en kvantecomputer arbejder med.

Det er vanskeligt at lagre og kontrollere et større antal qubits på en stabil måde. Qubitsene er typisk placeret på en flad chip og påvirkes ved at påføre ledninger til chippens sider.

Uheldigvis er det herved først og fremmest qubitsene på chippens sider, man er i direkte kontakt med, og det er vanskeligt at komme effektivt i kontakt med de qubits, der befinder sig længere inde i chippen.

Det gør det problematisk at arbejde med et større antal qubits, hvilket er en nødvendighed, hvis man skal konstruere en kvantemekanisk computer med tilstrækkelig stor kapacittet til at udføre nyttige beregninger.   

Kvantemekanisk stikkontakt kan være løsningen

Dette problem er nu muligvis overvundet. I en nylig artikel i Physical Review Applied har en forskergruppe ved Institute for Quantum Computing ved Waterloo University i Canada beskrevet deres arbejde med en såkaldt quantum socket – en kvantemekanisk stikkontakt. 

Kvantecomputer kvantestikkontakt binære tal supercomputer lynhurtig

Kvantemekanisk stikkontakt. Ledninger påføres chippen, som er markeret med grønt. Ledningerne kan justeres således, at de også kan nå qubits inde på chippen. (Figur: J. H. Béjanin et al., Phys. Rev. Appl. (2016))

Princippet er at anvende en fleksibel, tredimensionel opstilling af kabler, der muliggør effektiv kontakt med også de qubits, der er placeret længere inde på chippen.

For at kunne arbejde effektivt med chippen med qubits, må den isoleres fra uønskede påvirkninger – noget qubits er meget sårbare over for. Derfor er det nødvendigt at nedkøle den til omkring 10 milliKelvin, tæt på det absolutte nulpunkt på -273,15 Celsius.

Det er især det, der indtil nu har givet problemer, da det er vanskeligt at lave kompliceret elektronisk apparatur, der kan fungere ved så lave temperaturer.

Men med den nye kvantemekaniske stikkontakt kan dette problem nu være løst. Med specialdesignede kabler har forskerholdet ved Waterloo University lavet en opstilling, der gør det muligt at forbinde den nedkølede kvantemekaniske chip til en klassisk computer ved stuetemperatur. 

Princippet er vist i figuren og er fleksibelt nok til, at det er muligt at kommunikere med de qubits, der er placeret mere centralt på chippen. Herved bliver det muligt at arbejde med en langt større mængde af qubits end hidtil, da man med dette udstyr ikke er begrænset til de relativt få qubits, der er placeret på chippens rand.

Et skridt nærmere kvantecomputeren

Apparaturet er efterprøvet med computersimulationer, og resultaterne har foreløbigt været lovende. Opstillingen kan skaleres op til større samlinger af qubits, hvilket teoretisk muliggør, at man kan gennemføre forsøget med tilstrækkeligt mange qubits til, at man har en kvantemekanisk computer, som med denne opstilling vil kunne arbejde sammen med en klassisk computer.

Nu gælder det om at kunne samle og kontrollere et tilstrækkeligt antal qubits på en chip og kontrollere dem effektivt.

En funktionel kvantecomputer er her ikke endnu, men hvis den kommer, har vi nu en måde at tale med den på.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om det anderledes Danmarkskort og flere tal om arealet her.