For første gang er det lykkedes forskere at få en kvantecomputer til at lave et regnestykke, som ingen almindelig computer vil kunne udregne.

Det konkluderer et spritnyt studie udgivet i Nature.

Det er forskere fra Google, der har udviklet og testet en kvantecomputer, som arbejder med 53 kvantebits. Den lavede regnestykket på 3,5 minutter. En almindelig computer med de bedste algoritmer ville være cirka 10.000 år om at løse samme regnestykke.

Dermed er forskerne angiveligt kommet i mål med et gennembrud, som man har jagtet i 30 år. Nemlig at få en kvantecomputer til at overgå almindelige computere i regnekraft.

Det fortæller professor på DTU Fysik Ulrik Lund Andersen. Han forsker selv i kvantefysik og udviklingen af en kvantecomputer, og han har fulgt Googles forskning tæt.

»Det er virkelig et stort gennembrud. Der har været en del skeptikere, som har stillet spørgsmålstegn ved, om det rent faktisk ville være fysisk muligt at bygge en kvantecomputer, som kan fungere. Og det er nu bevist, at det er det,« siger han.

Hvordan sådan en kvantecomputer fungerer, kan du læse mere om længere nede i artiklen.

En milepæl for kvantecomputere

I 2017 præsenterede IBM den hidtil mest overlegne kvantecomputer, som kunne arbejde med 50 kvantebits. Men den var ikke i stand til at lave udregninger, som angiveligt ikke kan laves på en almindelig computer. Det kan Googles kvantecomputer derimod.

»Det er en milepæl, som vil blive skrevet ind i historiebøgerne. Det er nok overdrevet at sammenligne med første mand på månen, men det er næsten på det niveau,« siger Ulrik Lund Andersen.

Samtidig maner han dog også til besindighed og understreger, at ’quantum supremacy’, som Google rapporterer at have opnået, er en problematisk størrelse:

»Problemet er, hvordan man sikrer, at man har taget højde for alle de klassiske muligheder, der er for at løse problemet. Det er bestemt ikke en triviel opgave, og derfor skal man være varsom med at bruge betegnelsen ’quantum supremacy’,« siger han.

Begrebet blev oprindelig introduceret af professor John Preskill fra Caltech som en milepæl for kvantecomputere, nemlig at demonstrere løsning af et problem, som på ingen måde lader sig løse på en klassisk computer.

Ubrugeligt regnestykke

Hvad er det så, Googles kvantecomputer kan regne ud, tænker du måske?

Er det sandsynligheden for at få kræft på baggrund af alle dine gener?

Er det antallet af atomer i universet eller måske sandsynligheden for at finde liv på andre planeter?

Nej. Den kan regne et meget kompliceret regnestykke, som er konstrueret af matematikere til at være så uløseligt, at det ikke kan løses med de bedste algoritmer, vi har til almindelige computere i dag.

»Den udregning de har foretaget har ingen praktisk relevans. Man kan finde svar på det, men man kan ikke bruge svaret til noget. Og denne kvantecomputer kan kun regne på lige præcis det her regnestykke. Så der vil stadig gå en del år, før vi står med en kvantecomputer med praktisk relevans,« siger Ulrik Lund Andersen.

For at få en universel kvantecomputer, som kan regne på alt, vurderer Ulrik Lund Andersen, at man vil skulle bruge 1 million kvantebits. Googles har som nævnt 53.

Hvorfor kan man ikke bare skalere op og proppe flere kvantebits ind?

Det kan man ikke, fordi kvantebits er meget svære at skabe og bevare. Google holder liv i deres kvantebits ved at køle dem ned til ekstremt lave temperaturer. Men at køle og holde liv i en million kvantebits, det er der ikke udsigt til lige foreløbig.

LÆS OGSÅ: Forskere planlægger kvantecomputer så stor som to fodboldbaner

Større forståelse af molekyler og materialer

Men hvis eller når det lykkes at skabe en universel kvantecomputer, så er regne-perspektiverne pludselig mere interessante, forklarer Ulrik Lund Andersen.

»Man vil kunne udføre beregninger på molekyler og materialers opbygning og interaktion. Det er meget komplekse systemer, som består af så mange atomer, at man i dag ikke kan få fuld indsigt i deres opbygning,« siger han.

Større forståelse af, hvordan for eksempel proteiner interagerer, giver mulighed for at udvikle  ny medicin hurtigere, fordi man kan få viden om, hvor i et molekyle et givent lægemiddel vil interagere og hvordan. 

Ulrik Lund Andersen forventer på baggrund af det nye gennembrud, at man inden for 3-5 år vil kunne regne på noget, som er mere relevant end et konstrueret regnestykke.

Googles Sycamore-chip, der driver kvantecomputeren. (Foto: Google) 

Udnytter naturlovene på atomniveau

Kvantemekanikken er de fysiske regler, der gælder blandt universets mindste byggesten - atomerne. I en kvantecomputer udnytter man det til at lave beregninger hurtigere.

Alt i verden og i universet er opbygget af atomer. Atomer består af en kerne af positivt ladede partikler, og rundt om farer negativt ladede partikler - elektroner - i helt bestemte baner.

Elektronernes baner afgør, hvordan atomet binder sig til andre atomer og opbygger molekyler, som indgår i alt.

Men i modsætning til alt andet vi kender, som kan være et sted på samme tid, kan et elektron under de rette forudsætninger faktisk være to steder omkring kernen på samme tid.

I virkeligheden er elektronen nærmere strukket ud som en bølge eller sky, som rammer begge baner rundt om atomkernen. Det kaldes superposition, og det udnytter man i en kvantecomputer.

Sammenfiltrede atomer

I en kvantecomputer udnytter man desuden et andet underligt fænomen fra atomernes verden. Det forklarer ph.d.-studerende på Institut for Fysik og Astronomi Niels Jakob Søe Loft fra Aarhus Universitet, der lige nu er på konference i Korea sammen med de forskere, der lavede kvantegennembruddet.    

»Hvis du bringer to atomer tæt sammen, vil de påvirke hinanden og komme i en tilstand af sammenfiltring. De har ikke nødvendigvis samme energi, og de enkelte atomer kan veksle energi med hinanden, men den samlede energi i sammenfiltringen er den samme,« fortæller han til Videnskab.dk.

Det betyder, at du ved at måle på det ene atoms energi, også får kendskab til det andet atoms energi. De to atomer er bundet sammen i en tilstand af gensidig påvirkning, som først bliver brudt, når forskerne forstyrrer atomerne ved at måle på dem.

Hvis de to kvantesystemer er fuldstændig isoleret og upåvirket af omgivelserne, vil de blive ved med at være sammenfiltrede, også selv om de er langt fra hinanden.

På en eller anden måde kan de mærke hinandens tilstand, og det sikrer den fortsatte sammenfiltring.

LÆS OGSÅ: Fysikere får tiden til at gå baglæns i en kvantecomputer

I en computer er alt tal: 0 og 1

Men hvordan får man puttet kvantesystemerne ind i en computer, og hvordan hjælper superposition og sammenfiltring til at give computeren mere regnekraft?

For at forstå det, skal du først forstå, hvordan en helt almindelig computer fungerer:

En computer fungerer ved hjælp af tal.

Alt, du ser på din computer, og alt, som lagres i computeren, lagres i tal, som kaldes bits, og som kan være enten 0 eller 1.

Det, der foregår i din computer, fremkommer med andre ord som en slags oversættelser af lange rækker af 0’er og 1’taller.

Om en bit er 0 eller 1 afgøres af elektrisk spænding: Er spændingen over et vist niveau, får bitten værdien 1, er den under, får den værdien 0.

Gør os i stand til at lave større beregninger

I en kvantecomputer udnytter man kvantemekanikken, hvor vi lige har lært, at en elektron kan være i superposition - i to baner rundt om atomet - og dermed være i to forskellige tilstande samtidig.

Hvis man kalder den ene tilstand for 0, og den anden for 1, kan man ved hjælp af superpositioner af de to få en tilstand, som både er 0 og 1 samtidig. Dermed har vi en bit, som overholder kvantemekanikkens love, og kan være både 0 og 1 samtidig.

En kvantecomputer laver beregninger ved hjælp af sådanne kvantemekaniske bits, der kaldes kvantebits. Og fordi en kvantebit kan have to værdier samtidig, kan den altså lave meget store beregninger på kortere tid.

LÆS OGSÅ: Sådan bygger man en kvantecomputer

LÆS OGSÅ: Hvordan formidler vi kvantefysik, vi ikke kan se?

LÆS OGSÅ: Kvantecomputere i skyen kan regne på hemmelige data

LÆS OGSÅ: Ugens Podcast: Kan du forstå kvantefysik?