Nobelpristager: Måske får vi aldrig en kvantecomputer

I årevis har fysikerne talt om en helt ny form for supercomputer, som får nutidens computerkraft til at blegne fuldstændigt.

Da den franske forsker Serge Haroche fik Nobelprisen i fysik, fremhævede nobelpriskomiteen netop, at hans kvantefysiske opdagelser havde banet vejen for at »bygge computere, som er meget hurtigere end dem, vi bruger i dag.«

Men spørger man nobelprismodtageren selv, er det slet ikke sikkert, at vi nogensinde får den såkaldte kvantecomputer – i hvert fald er der lang vej igen.

»Alle taler om kvantecomputeren, men ingen ved, hvilken kraft den vil have, hvad den vil bestå af, og hvad den kan opnå. Vi har en ide om en maskine, som kan beregne alt, men der er nogle helt fundamentale udfordringer, som vi mangler at løse,« fortæller professor Serge Haroche i et interview med Videnskab.dk.

Forsker: Kvantecomputere er ligesom vejrudsigter

Flere andre kvantefysikere er enige med nobelpristageren i, at vi langt fra får en ny supercomputer i den nærmeste fremtid.

»Mit bedste bud er, at vi har den om 15 år. Men hvis du havde spurgt mig for 5 år siden, havde jeg også sagt om 15 år. Det er ligesom med vejrudsigter – vi kan ikke forudsige, hvornår der kommer et gennembrud eller en barriere i forhold til at få bygget en kvantecomputer,« siger professor og kvantefysiker Klaus Mølmer fra Aarhus Universitet.

Kvantefysikeren Stefanie Barz fra det britiske University of Oxford mener, at der er »meget, meget lang vej endnu,« før vi får en supercomputer.

Hverken Barz eller Serge Haroche vil dog sætte tal på, hvor mange år vi skal rejse ud i fremtiden, før kraftfulde kvantecomputere – måske – vil overhale nutidens ’klassiske’ computere.

»Jeg kan ikke lide at være fortaler for kvantecomputeren. Jeg tror, at det er farligt at annoncere, at man vil bygge en maskine, for hvis man ikke leverer varen, så vil samfundet blive mistænksomt og tænke, at vi prøver at oversælge det, vi laver,« siger Serge Haroche, som er professor ved forskningsinstituttet Collège de France.

Kun simple kvantecomputere er opfundet

Forskerne understreger dog, at det allerede er lykkedes at fremstille computere, som bygger på kvantefysikkens særlige principper.

Den første ’mini-kvantecomputer’ blev bygget i år 2001 og kunne udregne regnestykket 3*5 = 15.

»Spørgsmålet om, hvornår vi får en kvantecomputer, afhænger af, hvordan man definerer en kvantecomputer. Hvis du taler om en computer, som kan lave kvanteberegninger, så findes den allerede.«

»Men hvis du mener en kvantecomputer, som er bedre end nutidens bedste computere, så er der meget, meget lang vej endnu,« siger kvantefysikeren Stefanie Barz, som har lavet flere opmærksomhedsskabende kvantecomputer-eksperimenter.

Partikler er flere steder på én gang

Men hvad er det for nogle forhindringer, som fysikerne står over for i arbejdet med at bygge fremtidens nye supercomputere?

For at forstå svaret skal vi lige have styr på, hvad kvantefysikken egentlig er for noget. Kvantefysikken beskæftiger sig med universets allermindste bestanddele – altså bittesmå partikler og atomer, som er så små, at vi ikke engang kan se dem med et almindeligt mikroskop.

Men hvis vi var i stand til at se ned til deres lilleputverden, ville vi opdage, at de havde helt andre fysiske regler og love, end dem vi kender fra vores hverdag.

Hvor mystisk det end lyder, så kan en partikel for eksempel befinde sig flere forskellige steder på én gang – den har det, som fysikerne kalder kvantegenskaber.

Det er netop disse kvanteegenskaber, som man forsøger at udnytte i arbejdet med at bygge en kvantecomputer.

Haroche: Vi kæmper mod dekohærens

Når partiklerne kan være mange steder på én gang, åbner det teoretisk set muligheden for at udnytte fænomenet til at lave beregninger, som nutidens computere slet ikke er i stand til at klare.

Problemet med kvanteegenskaber er imidlertid, at de nemt bliver ødelagt – så snart man prøver på at måle på en partikel, ’bestemmer den sig for’, hvor den er henne, og den er altså ikke længere flere forskellige steder på én gang.

»Vi kæmper med et fænomen, som hedder dekohærens - det ødelægger kvanteegenskaberne meget hurtigt,« siger Serge Haroche.

Dekohærens opstår i det øjeblik, hvor en partikel ramler ind i et eller andet fra sine omgivelser – omgivelserne kommer nemlig til at påvirke partiklen, så den begynder at miste sine kvanteegenskaber.

Klaus Mølmer fra Aarhus Universitet er enig i, at dekohærens er »den værste fjende« for kvantecomputeren.

»Dekohærens betyder, at partiklerne mister evnen til at være flere steder på én gang og begynder at opføre sig på en kedelig klassisk måde. I forhold til at bygge kvantecomputeren, kan for eksempel elektrisk modstand bremse de mikroskopiske partiklers bevægelse og forårsage dekohærens« forklarer Klaus Mølmer.

Forskerne prøver at snyde dekohærens

Klaus Mølmer tilføjer, at fysikerne allerede har »nogle tricks i posen«, som gør det muligt at undgå den ødelæggende dekohærens i mindre skala. Og det gør ham optimistisk i forhold til udsigterne til at blive endnu bedre til at snyde dekohærensen og få bygget en kvantecomputer i fremtiden.

»Hvis du spørger mig som fysiker, tror jeg ikke, at der er nogen fundamental fysisk forhindring, som gør, at det bliver umuligt at udvikle kvantecomputeren.«

»Vi var meget bekymrede for dekohærens i 90’erne, fordi det betyder et tab af kvanteegenskaberne. Men siden da er der opfundet nogle koder, som gør, at vi godt kan rette op på det tabte,« forklarer Klaus Mølmer.

Uenighed om, hvordan computer skal bygges

Selvom Klaus Mølmer ikke tror, at der findes en naturgiven forhindring på vejen mod kvantecomputeren, så påpeger han, at det kan blive et problem, at forskellige forskergrupper arbejder med helt forskellige materialer til opbygningen af kvantecomputeren.

Som eksempler nævner han at:

• nogle forskningsgrupper arbejder på at lagre kvantecomputerens informationer i elektroner (partikler, som har en negativ elektrisk ladning), som sidder i faste stoffer, der minder om nutidens computerchips
  
• andre forskningsgrupper forsøger derimod at lagre computerens informationer i atomare ioner (elektrisk ladede atomer), der holdes i et vakuum ved hjælp af elektriske felter og laserstråler.

Der mangler en strategi for kvantecomputeren

»I forhold til at få bygget kvantecomputeren er det et helt specielt problem, at vi ikke er enige om, hvilken hardware vi skal bygge computeren med. Det kommer til at blive et problem lige om lidt.«

»Folk arbejder med syv-otte forskellige fysiksystemer, som er vidt forskellige, og som alle sammen ser ud til at være løfterige og have et stort potentiale. Men problemet er, at der ikke vil være midler og kapacitet til at udvikle otte vidt forskellige kvantecomputere,« siger Klaus Mølmer og tilføjer:

»Lige nu ved vi ikke, hvilken strategi vi skal vælge for at nå i mål. Men jeg håber, at der i løbet af de næste fem år vil krystallisere sig et billede af, hvilken vej vi skal gå.«

Trussel hvis penge og vilje forsvinder

Netop manglen på vilje og økonomisk opbakning til at få udviklet fremtidens supercomputer, kan også vise sig at blive en trussel mod kvantecomputeren, mener Klaus Mølmer.

»Trusselsbilledet er, at dem, der skal bevilge pengene til forskningen, pludselig ikke tror på projektet længere, eller at de dygtigste forskningsgrupper begynder at springe fra og kaste sig over noget andet forskning. De første indledende skridt på vejen mod kvantecomputeren har været vanvittigt banebrydende – vi har omskrevet kvantemekanikken på baggrund af forskningen.«

»Men på et tidspunkt vil de grundlæggende erkendelser, som vi opnår i arbejdet med kvantecomputeren, slippe op. Der er jo ikke så mange nye erkendelser i at udvide en computer til at gå fra 10 bits til 20 bits. Derfor er en af farerne, at de bedste forskere mister interessen for kvantecomputeren på et tidspunkt,« siger Klaus Mølmer.

Stadig spændende opdagelser på vej mod kvantecomputer

Indtil videre mener Klaus Mølmer dog stadig, at vejen mod kvantecomputeren vil være brolagt med en række nye gennembrud og opdagelser for fysikerne.

Nobelprismodtager Serge Haroche er helt enig i, at forskningen i kvantecomputere vil medføre nye og brugbare opdagelser, men han understreger, at det er umuligt at forudse, hvad det vil være for banebrydende resultater, fysikerne støder ind i under deres arbejdet med kvantecomputeren.

»Vi lærer en helt masse af forskningen, men hvad der vil komme ud af det, kan vi ikke forudsige nu. Men jeg er overbevist om, at der vil komme noget brugbart ud af det,« siger Serge Haroche.

Han nævner blandt andet atomure – ekstremt præcise ure - som et eksempel på en brugbar teknologi, som kvantefysikernes forskning har banet vejen for.

»Da atomurene blev udviklet for 50 år siden, var der ingen, der vidste, hvad de skulle bruges til. Nu bliver atomure brugt til de GPS-systemer, som alle bruger i dag,« siger Serge Haroche og tilføjer, at der i øjeblikket sker »enorme fremskridt« i den gren af kvantefysikken, som beskæftiger sig med atomure.

»Med den nye generation af atomure vil en masse nye ting blive mulige, men ingen ved præcist, hvad det vil være. Måske vil det en dag blive muligt at forudsige jordskælv ved hjælp af atomure,« siger Serge Haroche.

Kvantesimulator kommer før computeren

Som et mere nyligt eksempel på, hvad fysikerne har opnået under udviklingen af en kvantecomputer, nævner Serge Haroche de såkaldte kvantesimulatorer.

Han forklarer, at en kvantesimulator fungerer som en slags model over forskellige stoffer, og man kan derfor bruge simulatoren til at undersøge, hvordan et stof opfører sig, hvis man zoomer helt ind på de atomer, som stoffet er opbygget af.

»I stedet for at være tæt på hinanden er atomerne i en kvantesimulator placeret meget længere væk fra hinanden. På den måde kan man kontrollere, hvordan atomerne interagerer med hinanden og simulere, hvad der sker i rigtige stoffer,« siger Serge Haroche.

Han tilføjer, at forskerne kan bruge kvantesimulatorer til at lære om forskellige stoffers egenskaber – og måske til at opbygge nye stoffer med helt særlige egenskaber.

»En kvantesimulator laver ikke beregninger ligesom en computere – den simulerer bare, hvad der sker i den rigtige verden. Men det viser sig, at der ikke eksisterer computere, som kan gøre det samme. Den mængde computerkraft, som der ville brug for, hvis man skulle simulere et system med nogle få hundrede atomer, er umulig med nutidens computere,« siger Serge Haroche.

Indtil nu har forskerne kun opbygget kvantesimulatorer, som er i den relativt spæde fase af deres udvikling, men Serge Haroche er overbevist om, at kvantesimulatorerne snart vil være nået så langt, at de bliver til et brugbart værktøj for forskerne.

»Kvantesimulatorerne udvikler sig meget hurtigt, og de vil blive til virkelighed længe før kvantecomputeren – hvis den altså nogensinde bliver en realitet,« slutter Serge Haroche.