Når din gamle computer prøver at køre det nyeste spil, kan du næsten høre, hvor hårdt den kæmper. Blæserne hyler, grafikken hakker, og alt går i slowmotion.
Noget lignende sker, når konventionelle computere — alt fra din laptop til verdens største supercomputere — prøver at simulere naturens mindste byggesten. Det vil sige, når de beregner, hvordan elektroner, atomer og molekyler opfører sig.
Disse systemer følger kvantemekaniske regler, som er helt anderledes end dem, konventionelle computere bruger. Derfor bliver simuleringerne af disse kvantesystemer hurtigt enorme, langsomme og upræcise.
Det er lidt som at forsøge at bygge en avanceret maskine i spillet Minecraft, hvor blokkene ikke helt kan det, du har brug for. Du kan finde løsninger, men ofte ender det som et kludetæppe af workarounds, fordi spillets regler ikke matcher det, du vil skabe.
Og det er her, kvantecomputeren Magne kommer ind i billedet. Den skal drives af virksomheden QuNorth her i Danmark for at give forskningsmiljøer og virksomheder i Norden adgang til kvantehardware i verdensklasse.
Magne er designet til at regne ud fra de samme fysiske love, som naturen selv følger på nano- og atomskala. I stedet for at tvinge klassiske bits til at efterligne kvanteverdenen, giver Magne os mulighed for at beregne den på dens egne præmisser.
\ Adventskalender om kvantemekanik
Denne artikel er den sidste i Videnskab.dk's adventskalender, der markerer hundredåret for kvantemekanikken.
Hver søndag frem til jul vil forskere fra Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet tage dig med ind i kvanternes forunderlige og mystiske verden.
I serien kan du blandt andet blive klogere på kvantefysikkens vildeste eksperimenter og den danske kvantecomputer Magne.
Og, nåh ja, så forklarer en forsker også, hvad i alverden kvantemekanik er for noget.
Dette er den sidste artikel i serien. Find de øvrige artikler i serien '100 år med kvantemekanik' her.
0 og 1 på samme tide
En klassisk computer arbejder med bits, der enten er 0 eller 1 — ligesom en lampe, der enten er tændt eller slukket.
En kvantecomputer bruger i stedet kvantebits, eller qubits, som følger kvantemekanikkens regler og derfor kan noget fundamentalt andet.
Det er især to kvantemekaniske egenskaber, der gør kvantecomputere helt anderledes end konventionelle computere:
- superposition
- sammenfiltring
En qubit kan være i en kombination af 0 og 1 på samme tid – det kaldes for superposition. Det betyder, at kvantecomputeren ikke kun arbejder med enkelte tal, men med et helt rum af mulige tilstande, som kan bearbejdes samlet.
Det giver adgang til en langt større »regneplads«, end konventionelle bits kan tilbyde (læs mere i faktaboksen nedenfor).
Denne måde at repræsentere information på er helt anderledes end i konventionelle computere — men den giver ikke i sig selv hurtigere beregninger. Først når superpositionen udnyttes aktivt i en algoritme, kan den give en reel fordel.
\ Bit vs. kvantebit
I konventionel computing er information repræsenteret ved bits, som hver kan have én af to værdier ad gangen: 0 eller 1 — for eksempel som en lampe, der enten er slukket eller tændt.
Kvantecomputere bruger i stedet kvantebits, eller qubits. De beskrives af kvantemekanikkens regler og kan derfor befinde sig i en superposition af 0 og 1 — en tilstand, som indebærer begge muligheder på samme tid.
En qubit kan sammenlignes med en lampe, hvor lysstyrken kan indstilles glidende — og dermed både indebærer muligheden for at være slukket og for at være helt tændt.
Men man skal forestille sig, at når man faktisk kigger på lampen, svarende til at man måler eller aflæser qubiten, kan man ikke se den glidende lysstyrke.
I stedet oplever man altid lampen som enten helt slukket eller helt tændt, og sandsynligheden for det ene eller det andet udfald afhænger af, hvor kraftigt lampen var skruet op i forvejen.
Når man måler qubiten, får man altså altid ét konkret, klassisk resultat — det vil sige 0 eller 1. Men før målingen kan kvantecomputeren udnytte denne fordeling af muligheder aktivt i beregningen.
Superposition er derfor et kraftfuldt værktøj i kvantealgoritmer — men det giver ikke automatisk hurtigere beregninger. Fordelen opstår kun, når algoritmen er designet til at styre sandsynlighederne, så de rigtige løsninger bliver mere sandsynlige end de forkerte.
Qubits bliver sammenfiltrede
Sammenfiltring er den anden centrale kvanteegenskab. Når qubits bliver sammenfiltrede, kan man ikke længere forstå dem hver for sig.
De skal i stedet ses som dele af ét fælles system, hvor informationen først giver mening, når man betragter dem samlet.
Det betyder, at informationen ikke ligger i de enkelte qubits, men i måden de hænger sammen på — noget konventionelle computere godt kan efterligne, men kun med stor beregningsmæssig indsats.
Det er denne fælles beskrivelse, der gør kvantecomputere særligt velegnede til at håndtere komplekse systemer.
Disse to egenskaber — superposition og sammenfiltring — gør det muligt for kvantecomputere at repræsentere information på måder, der ellers ville kræve helt urealistisk mange klassiske bits.
At regne med sandsynligheder
Når man programmerer en kvantecomputer, arbejder man, ligesom i konventionel computing, med en veldefineret algoritme.
Forskellen er, at algoritmen ikke beregner et svar trin for trin, men i stedet er designet til at styre sandsynligheder. Man kan tænke på beregningen som en proces, der gradvist skubber systemet i retning af de rigtige løsninger, mens de forkerte løsninger dæmpes.
Undervejs kan man ikke »kigge med« og se delresultater, fordi det ville ødelægge de kvanteegenskaber (såsom superposition) som beregningen bygger på. Først til allersidst aflæses resultatet. Det kalder man en måling.
Når vi måler qubitterne, »fryser« systemet — lidt som når man trykker pause i et spil — og beregningen giver ét konkret, klassisk resultat.
Kvantecomputerens styrker viser sig kun i bestemte typer af problemer, hvor kvantemekanikkens særlige egenskaber kan udnyttes — og i mange andre tilfælde vil en konventionel computer fortsat være det bedste og mest effektive værktøj.
Hvad kan en kvantecomputer bruges til — og hvad kan den ikke?
Den største styrke ved kvantecomputere er deres evne til at simulere naturens egne kvantesystemer — altså elektroner, atomer og molekyler, som følger kvantemekanikkens regler.
Det åbner for anvendelser som:
- medicinudvikling, hvor man kan undersøge, hvordan nye lægemidler virker på molekylært niveau ,
- materialeforskning, for eksempel superledere, batterimaterialer og magnetiske materialer,
- katalyse, hvor man forsøger at forstå og forbedre kemiske processer,
- komplekse molekylære reaktioner, som i dag er næsten umulige at beregne præcist.
Alt dette styres af kvantemekanik, og her forventer vi, at kvantecomputere på sigt kan gøre noget, som selv de største konventionelle computere kæmper med.
Kvantecomputere er ikke altid bedre
Der forskes også i, om kvantecomputere kan give fordele i optimeringsproblemer og maskinlæring.
Det vil sige opgaver, hvor man leder efter den bedste løsning blandt mange muligheder. I nogle tilfælde peger teorien på mulige forbedringer, men fordelene er ofte små og kræver meget særlige betingelser.
I praksis er disse anvendelser udfordret af støj, begrænset hardware og vanskeligheden ved at indlæse klassiske data i et kvantesystem.
Derfor er praktiske kvantefordele på disse områder stadig usikre og ligger sandsynligvis længere ude i fremtiden.
Kvantecomputere forventes altså ikke at give fordele i alle typer beregninger. De er specialiserede værktøjer, som kun overgår konventionelle computere i bestemte situationer.
I mange andre tilfælde vil en konventionel computer fortsat være det bedste og mest effektive værktøj.
Hvorfor simuleringer ikke rækker længere
For nylig brugte forskere en stor del af supercomputeren Gefion på at simulere en kvantecomputer med 40 qubits.
Det lyder måske ikke af meget — men problemet er, at hver gang man tilføjer én ekstra qubit, fordobles den mængde beregninger, computeren skal udføre.
Det betyder, at:
- 41 qubits ville kræve omtrent hele Gefion,
- 42 qubits ville kræve to Gefion-lignende supercomputere,
- 50 qubits ville kræve omkring tusind Gefion’er.
Allerede her bliver det tydeligt, at vi ikke kan komme meget længere ved at simulere kvantecomputere på konventionelle supercomputere.
Hvis udviklingen skal fortsætte, er vi nødt til at arbejde med fysisk kvantehardware. Det er netop denne hurtigt voksende kompleksitet, der er hele motivationen for at bygge kvantecomputere.
Vi har brug for fysiske kvantesystemer til at simulere og forstå andre kvantesystemer i naturen — som molekyler, materialer og kemiske reaktioner — noget konventionelle computere kun kan gøre i meget begrænset omfang.
\ Kvanteparallellisme
Når flere qubits kombineres i en kvantecomputer, vokser antallet af mulige kombinationer meget hurtigt. Hver gang man tilføjer én ekstra qubit, fordobles antallet af mulige tilstande, som systemet kan beskrive.
- Én qubit rummer en fordeling mellem 0 og 1.
- To qubits kan tilsammen beskrive fire mulige kombinationer.
- Tre qubits giver otte muligheder.
- Og sådan fortsætter det: hver ekstra qubit fordobler antallet af muligheder.
Det er denne eksplosive vækst, man kalder kvanteparallellisme: før man måler systemet, kan kvantecomputeren arbejde med hele denne mængde af mulige kombinationer samlet.
Men kvanteparallellisme betyder ikke, at en kvantecomputer bare “prøver alle løsninger på én gang” og derefter læser det rigtige svar ud. Når man måler systemet, får man stadig kun ét konkret, klassisk resultat. Hvis algoritmen ikke er designet rigtigt, ender man blot med et tilfældigt udfald.
Derfor handler kvantealgoritmer om aktivt at udnytte kvanteparallellismen ved at:
- forstærke sandsynligheden for de rigtige løsninger,
- dæmpe sandsynligheden for de forkerte
Således vil målingen til sidst med høj sandsynlighed give et brugbart svar.
Kvanteparallellisme er altså ikke det samme som at have mange konventionelle computere kørende side om side. Det er et matematisk værktøj, som kun giver en fordel, når algoritmen er nøje designet til at styre sandsynlighederne på den rigtige måde.
Magne som nordisk kvanteplatform
Den danske kvantecomputer Magne giver forskere og virksomheder i Norden adgang til en fysisk kvantecomputer, hvor man kan undersøge kvantefænomener direkte i hardware.
Den er designet som en eksperimentel platform, hvor man kan studere qubitters faktiske opførsel, forstå støjkilder, karakterisere fejlmekanismer og eksperimentere med kontrol og stabilitet. Det er nødvendigt for at bygge mere avanceret kvantehardware.
Magne er en såkaldt klasse-2-kvantecomputer, hvilket betyder, at man for første gang kan begynde at arbejde systematisk med fejl og støj i selve kvantehardwaren.
Det giver forskere mulighed for at afprøve simple former for fejlkorrektion og undersøge, hvordan mange fysiske qubits kan arbejde sammen mere stabilt. Et vigtigt skridt på vejen mod fremtidens mere pålidelige kvantesystemer.
Kvantesoftware udvikles gennem eksperimenter
Hardwaren er kun halvdelen af en kvantecomputer. Lige så vigtig er softwaren — og de to kan ikke udvikles uafhængigt.
Man får ingen kvantefordele ved blot at overføre klassiske algoritmer til en kvantecomputer; der skal udvikles nye algoritmer til formålet, som udnytter superposition og sammenfiltring.
Kvantealgoritmer udvikles typisk på tre måder: gennem teori, gennem klassiske simuleringer og gennem eksperimenter på fysisk kvantehardware.
Netop den sidste del er afgørende, fordi kvantealgoritmer i praksis må tilpasses den konkrete hardware, hvor støj og fejl spiller en stor rolle.
Fremskridt kræver, at forskere kan teste idéer, se hvordan støj påvirker resultaterne og justere algoritmerne i praksis.
Hvad kan Magne komme til at betyde for Norden?
Kvantecomputere er stadig i deres tidlige fase.
Men udviklingen går hurtigst dér, hvor forskere ikke kun arbejder med teori og computersimuleringer, men har adgang til en fysisk kvantecomputer, som man kan eksperimentere med i praksis.
Netop det tilføjer Magne til den nordiske forskning.
Med Magne kan forskere samarbejde på tværs af universiteter og landegrænser, udviklere kan afprøve algoritmer på rigtige qubits, og virksomheder kan begynde at undersøge kvanteteknologiens potentiale i praksis.
Samtidig skaber Magne et miljø, hvor nye kompetencer kan vokse frem — fra fysik og materialeforskning til algoritmedesign og kvantesoftware.
Det ses allerede på uddannelsesområdet, hvor Københavns Universitet og DTU har oprettet en fælles kandidatuddannelse i Quantum Information Science, der uddanner næste generation af eksperter.
Magne giver Norden en mulighed for at være med dér, hvor udviklingen sker: ikke kun som brugere af andres teknologi, men som aktive bidragydere.
