På jagt efter computerens næste kvantespring
Fysikere forsøger i dag at integrere kvantemekanik i fremtidens computere. I Aarhus er vi i færd med at lave en kvantemekanisk transistor, der kan blive et vigtigt skridt på vejen.
kvantecomputer kvantebits

Hvis man skal kunne foretage beregninger med kvantebits i stedet for klassiske bits, er det nødvendigt at udvikle en computer, der kan håndtere og fastholde de omskiftelige bits. (Foto: Shutterstock)

Alle computerspillere ved fra bitter erfaring, hvor hurtigt en computer eller spilkonsol bliver forældet.

Der går knapt et par år, før regnekraften i de nyeste maskiner langt overstiger, hvad de gamle modeller kan præstere. Nye spiltitler kræver derfor ofte markedets sidste spilkonsol for rigtigt at komme til sin ret. 

Historien kort
  • Vi står muligvis på tærsklen til 'den anden kvanterevolution', hvor vi vil kunne udnytte kvantemekanikken i teknologien i form af en kvantecomputer.
  • Selvom man har stor viden om kvantemekanik, er det vanskeligt at udnytte principperne i praksis. Det er derfor nødvendigt at udvikle nye komponenter, som kan bevare de skrøbelige kvantetilstande. 
  • På Aarhus Universitet har forskere designet en kvantemekanisk transistor, som potentielt vil kunne bruges i fremtidens kvantecomputer.

Regnekraften er bestemt af antallet af mikroskopiske transistorer i de computerchips, der sidder inde i vores computere, spilkonsoller, mobiltelefoner og så videre. 

Groft sagt fordobles antallet af transistorer pr. areal hvert år (Moores lov), hvilket er grundlaget for den eksplosive udvikling i regnekraft, vi har set siden de første bygningsstore elektronhjerner.

Den klassiske transistor revolutionerede verden

Opfindelsen af transistoren i 1947 er uløseligt forbundet med udviklingen af den moderne computer, fordi man ved at forbinde mange transistorer kan udføre de bit-operationer, der er computerens helt basale måde at regne på.

På en chip sidder der milliarder af mikroskopiske transistorer, der hver især har en meget simpel funktion. Hver enkelt transistor fungerer som en kontakt: Hvis transistoren er tændt, tillader den elektrisk strøm at passere, hvorimod en slukket transistor blokerer for strømmen.

På denne måde kan et stort netværk af forbundne transistorer manipulere elektriske strømme rundt i computerens kredsløb og udføre mange beregninger i sekundet.

Elektriske strømme består af elektroner, der hopper fra atom til atom i eksempelvis en kobberledning. Transistorens funktion som tændt eller slukket kontrolleres ved hjælp af en svag strøm, der manipulerer elektronernes opførsel i nærheden.

Naturligt nok krævede udviklingen af transistoren god forståelse af elektronernes opførsel i metaller og halvledere. Med andre ord krævede det god forståelse af kvantemekanikken, der er den fysiske teori, der beskriver verden på atomart niveau.

Kvanter computer

Computere bliver hurtigt forældede, fordi vi hele tiden bliver bedre til at mase flere og flere transistorer ind på mindre og mindre plads. (Foto: Shutterstock)

Den anden kvanterevolution venter forude

Transistoren udgør sammen med blandt andet laseren og lysdioder den såkaldte 'første kvanterevolution'. Disse opfindelser var kun mulige, fordi vi forstod kvantefysikken bag.

Skal man tro de optimistiske røster, står vi i dag på tærsklen til den 'anden kvanterevolution', der tager et afgørende næste skridt i forhold til udnyttelsen af kvantemekanik i teknologien.

Fremtidens kvanteteknologier vil i langt højere grad end hidtil udnytte de grundlæggende principper i kvantemekanik, hvilket åbner helt nye perspektiver for, hvad der er teknisk muligt.

Kvantecomputeren, hvis enorme regnekraft får nutidens supercomputere til at ligne kuglerammer, er den hellige gral indenfor kvanteteknologi.

For at forstå nytænkningen i kvantecomputeren, skal vi forstå forskellen på, hvordan den klassiske computer og kvantecomputeren regner.

Den klassiske computer regner med bits, der enten kan være 0 eller 1. Der er mange måder, hvorpå man kan realisere sine bits, sålænge man tydeligt kan skelne et 0 fra 1, eksempelvis ved hjælp af strømstyrken i en ledning eller magnetiseringsretningen af et materiale.

Hvad, der gør kvantecomputeren anderledes, er, at den kan regne med bits, der er i en blandingstilstand af 0 og 1. En bit med sådan en egenskab, kaldet en kvantebit, kan eksempelvis tillægge 0 en sandsynlighed på 40 procent og 1 en sandsynlighed på 60 procent, hvilket er helt umuligt for en klassisk computer af regne med.

Man kan illustrere forskellen på de to bit-typer ved at tænke på vælgere i et to-partisystem. Hvor en klassisk bit er en vælger, der med sikkerhed ved, hvem han vil stemme på, så er kvantebitten en vægelsindet vælger, der kan være i tvivl om, hvor krydset skal sættes, men måske hælder mere til den ene eller den anden side.

kvantebit vs klassisk bit

En klassisk bit kan enten være 0 eller 1 (hhv. en rød pil ned og en blå pil op i figuren). En kvantebit kan derimod være både 0, 1 og alle mulige blandingstilstande derimellem. (Illustration: Niels Jakob Søe Loft)

Vejen til kvantecomputeren

Beregninger med kvantebits i stedet for klassiske bits kræver altså en gentænkning af hele den måde, hvorpå computeren udfører beregninger.

Dog giver muligheden for at regne med kvantebits nogle helt nye fordele. Kvantecomputerens potentiale ligger i, at der findes opgaver som eksempelvis primtalsfaktorisering eller opslag i en lang liste, som er langsommelige for en klassisk computer, men som en kvantecomputer kan løse relativt hurtigt ved hjælp af ret få kvantebits.

Book et gratis foredrag om kvantemekanik

Niels Jakob Søe Loft er med i 'Bestil en Forsker'-ordningen og kan frem til og med 3. april bookes gratis til at holde et foredrag mellem 24.-30 april. 

Foredragets titel er: 'Hvad er kvantemekanik? Book ham her

Selvom beregninger med kvantebits virker storartet i teorien, så er det straks vanskeligere at bygge en kvantecomputer i praksis.

Det er notorisk svært at bevare og manipulere de skrøbelige kvantetilstande, der forsvinder som sand mellem fingrene på grund af støj i systemet og interferens de enkelte tilstande imellem.

Ligesom den klassiske computer ikke blev opfundet på en dag, er vejen til kvantecomputeren brolagt med mindre og mere realistiske mål. Et af disse mål er at udvikle små selvstændige komponenter, der kan fungere som byggeklodser i en større fremtidig kvantecomputer.

Naturligt nok skeler man til den klassiske computer og forsøger at lave kvantemekaniske versioner af de gammelkendte komponenter, som vi har gode erfaringer med at designe og producere.

En superledende kvantetransistor

I vores forskningsgruppe på Aarhus Universitet har vi designet en kvantemekanisk transistor. Selvom den endnu ikke er bygget i virkeligheden, har vi en detaljeret arbejdstegning for, hvordan den kan bygges ved hjælp af et såkaldt superledende kredsløb.

Der er flere konkurrerende forslag til, hvordan fremtidens kvantecomputer skal bygges, og superledende kredsløb er ét af dem. Her udnytter man velkendte teknikker til at bygge et elektrisk kredsløb på et stykke metal, der derefter køles ned, så metallet bliver superledende. 

Det vil sige, at strømmen i kredsløbet ledes uden modstand.

superledende kredsløb

Et superledende kredsløb udnytter teknikker til at bygge et elektrisk kredsløb på et stykke metal, der derefter køles ned, så strømmen i kredsløbet ledes uden modstand. (Foto: Erik Lucero / Wikimedia Commons)

Når kredsløbet køles ned, bliver det superledende og begynder at opføre sig kvantemekanisk. En detaljeret analyse af ens kredsløb vil vise, hvordan kredsløbet opfører sig som kvantebits, der vekselvirker med hinanden.

Dog har disse kvantebits ikke nogen simpel fysisk fortolkning såsom strømme af elektroner, og man skal snarere tænke på, at en del af kredsløbet 'opfører sig' som en kvantebit.

Et kredsløb kan se kompliceret ud, men dog opføre sig som nogle få kvantebits med simple indbyrdes vekselvirkninger.

Efter nedkølingen kan man bestråle sit superledende kredsløb med mikrobølger og derved ændre systemets kvantetilstand eller udføre operationer på sine kvantebits. En stor fordel ved superledende kredsløb er, at de er relativt nemme at bygge og simple at kontrollere.

I princippet skal kvantetransistoren fungerer ligesom en klassisk transistor, der enten er tændt eller slukket for overførsel af information, dog med kvantebits i stedet for bits. I vores design består kvantetransistoren i sig selv af fire kvantebits - se figuren nedenfor.

Den første kvantebit er indgangen, og den sidste er udgangen i transistoren. Derimellem sidder to kvantebits, der udgør gaten. Gaten skal enten være åben eller lukket, så den henholdvis tillader eller forbyder overførsel af kvantetilstanden fra indgangen til udgangen.

Lad os forestille os, at kvantebitten i indgangen har en bestemt tilstand - enten 0, 1 eller en blanding af de to. Da er det gaten, der afgør, om kvantetilstanden skal overføres til udgangen eller ej. Hvis gaten er lukket, sker der intet, men hvis den derimod er åben, bytter kvantebitsene i ind- og udgangen tilstande med hinanden.

kvantetransistor

I en kvantetransistor skal gaten enten være åben eller lukket. Hvis gaten er åben, bytter kvantebitsene i ind- og udgangen tilstande med hinanden. Hvis gaten er lukket, kan de ikke bytte tilstande. (Illustration: Niels Jakob Søe Loft) 

Kvantebits er som bølger i et badekar

At sikre eller forhindre overførsel gennem gaten er dog lettere sagt end gjort. Når de enkelte kvantebits vekselvirker med hinanden, interfererer de som bølger, der forstærkes eller udslukkes, når de mødes.

Man kan med en vis rimelighed sammenligne transistoren med et badekar, hvor man fra den ene ende laver en vandbølge med hænderne. I rørte vande vil bølgen sandsynligvis hurtigt gå tabt på turen mod fodenden. Kunsten er altså at kunne rokke med knæerne på to måder:

Én, hvor skvulpene i midten af badekarret sørger for, at bølgen sikkert transmitteres til fodenden, og én, hvor bølgen ikke kommer nogen vegne.

Med badekar-analogien in mente kan man levende forestille sig, at ens oprindelige bølge nemt kan gå helt eller delvist tabt.

Det kan være svært at undgå, at ens oprindelig kvantetilstand ikke bliver blandet med andre uønskede tilstande, enten på grund af støj, eller ved at tiden går. Dette er generelt et problem indenfor kvanteforskningen, og derfor er metoder til at sikre ens kvantetilstande i høj kurs.

Behovet for effektiv fejlkorrigering opstår specielt, når man går fra bits til kvantebits. Fordelen, ved at en klassisk bit kun har to tilstande, er, at det er nemmere at rette små fejl.

Hvis bittens værdi er repræsenteret ved en strømstyrke i en ledning, og vi måler en strøm, der eksempelvis svarer til 0,9, kan vi nemt konkludere, at bittens værdi må være 1 og eventuelt rette den lille fejl. Derimod forholder det sig anderledes med kvantebits, hvor alle blandinger af 0 og 1 også er gyldige tilstande.

Opstår der en fejl på kvantebitten, der ændrer dens tilstand fra et rent 1-tal til eksempelvis 90 procent 1 og 10 procent 0, vil vi ikke nødvendigvis vide, at denne værdi skyldes en fejl. Kvantebittens nye tilstand er jo også tilladt, hvilket gør det langt sværere at rette fejlen.

Et blik i krystalkuglen

Næste skridt er at påbegynde et samarbejde med en eksperimentel gruppe, der kan bygge kvantetransistoren efter vores design og se, om den virker som forventet.

Skulle det lykkes at opnå en velfungerende transistor, er det stadig nødvendigt at sammesætte flere af dem i et netværk for at kunne udføre kvanteberegninger. Vi forestiller os, at vores kvantetransistor kan fungere som én af de LEGO-klodser, der kan indgå i en kvantecomputer.

Sandsynligvis kommer vi ikke til at se en ren kvantecomputer foreløbigt, ja måske nogensinde.

Personligt tror jeg mere på, at kvantekomponenter vil blive integreret i klassiske computere til hybrid-computere, der kan bruge sin klassiske del og kvantedel til at løse forskellige opgaver.

Moores lov har i mange årtier dikteret den teknologiske udvikling, men dette er ved at være slut. Klassiske transistorer er nemlig ved at blive så små, omkring 10 nanometer, at chipproducenter som Intel har svært ved at gøre dem mindre uden at få problemer med 'elektronlækage'.

Mere specifikt kan elektronerne finde på at 'lække' fra transistorens ene ende til den anden, og dermed kan der løbe en strøm igennem transistoren, også selvom den skulle være lukket! Dette fænomen kaldes ’tunnellering’, og er en kvantemekanisk effekt.

På en måde lyder det passende, at kvanteteknolologien langsomt sniger sig ind i vore computere, så vi udnytter kvantemekaniske effekter i stedet for at bekæmpe dem.

Videnskab.dk Podcast

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


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab 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.