Da de første computere så dagens lys i de spæde 1940’ere, kørte de på vakuumrør og var ikke særligt udbredte. Siden kom transistoren til, og med tiden blev computeren allemandseje.
Kvantecomputeren befinder sig i dag stadig på det spæde vakuumrørs-stadiet.
Men nu har et forskerhold fra Google knækket en kode, der kan sætte skub tingene.
I et studie, der netop er udgivet i det videnskabelige tidsskrift Nature, har Google-forskerne præsenteret en metode til at nedsætte kvantecomputerens regnefejl.
»Det, de har bevist i studiet, er et fuldstændigt nødvendigt skridt på vejen til at kunne bygge store kvantecomputere,« siger professor i fysik Klaus Mølmer, der forsker i kvantefysik og -computere på Niels Bohr Institutet, til Videnskab.dk.
Professoren kalder det for en milepæl, »vi har ventet længe på«.
Dansk forsker: »Ekstremt fedt«
Samme udlægning kommer fra hans kollega Morten Kjaergaard, der er lektor i fysik på Niels Bohr Institutet, hvor han forsker i at nedsætte regnefejl i kvantecomputere:
»Google har for første gang nogensinde demonstreret, at den grundlæggende teori, vi har for at lave store fejlretninger i kvantecomputere, virker,« forklarer Morten Kjaergaard, der er ansat ved instituttets Center for Kvanteelektronik.
»Det er ekstremt fedt, at det er lykkedes. For hvis Google havde svært ved at løse opgaven, ville resten af os i feltet også have svært ved det. Det er en hamrende svær teknisk opgave, de har løst,« fortæller han.
Hvis du vil lære mere om, hvordan kvantecomputere fungerer, og hvorfor mulighederne med dem er så vilde, så kan du læse mere i Videnskab.dk’s artikel Kvantecomputeren kan ændre vores verden radikalt! Men hvorfor er den så vild?
Bevis for 30 år gammel teori
Vejen mod velfungerende og skalerbare kvantecomputere er udfordret af, at computerens bittesmå byggesten – kvantebits – er enormt skrøbelige over for påvirkninger fra omgivelserne.
Problemet med kvantebits er, at de let bliver ustabile og derfor regner forkert.
De små kvantebits har nemlig svært ved at opretholde en stabil kvantetilstand, når de udsættes for ‘støj’ – som magnetfelter, lys og varme – fra den ‘almindelige’ verden, hvor den traditionelle fysik hersker.
Derfor skal nogle typer af kvantebits – det gælder blandt andet for de superledende kvantebits, som Google-forskerne arbejder med – holdes på en temperatur på minus 273,1 grader, hvis de skal fungere. Det skal de i øvrigt stadig på trods af det nye fremskridt.
Lær mere om kvantebits og deres betydning i faktaboksen.
\ Hvad er kvantebits og hvorfor er de vigtige?
Kvantebits er de kvantefysiske enheder, som en kvantecomputer skal bruge til at lagre information og løse opgaver. Ligesom computeren eller telefonen, du sidder på lige nu, bruger bits, når den skal arbejde for dig.
En kvantebit skabes af en kvantefysisk nanopartikel som en elektron, en foton eller et atom, der altså kan udnyttes til at lagre information.
Kvantebits kan i øvrigt designes på helt forskellige måder. To typer er eksempelvis:
- Superledende kvantebits, der består af superledende materialer. Det er den type kvantebits, som Google arbejder med.
- Fotoniske kvantebits – det vil sige bits baseret på lys.
Læs mere i artiklen ‘Kampen om kvantecomputeren er som et rumkapløb – og den foregår midt i København’ på Videnskab.dk.
I årtier har kvantecomputer-forskere puklet for at finde de bedste metoder til at rette fejlene i systemet.
Googles nye Nature-studie viser for første gang, at fejlene i kvantebits bliver mindre i takt med, at systemet af kvantebits – og dermed kvantecomputeren – bliver større.
Teorien om, at det skulle være tilfældet, har hersket i kvantecomputer-kredse siden 1994. Altså i godt 30 år. Men teorien har ikke været dokumenteret før nu.
»Humlen her er, at det kan betale sig at bygge større kvantecomputere, fordi de bliver mindre følsomme overfor støj. Indtil det her resultat har det været noget, vi har håbet på, var tilfældet,« siger Morten Kjaergaard.
Som en chokoladekage
Ligesom der findes et felt af forskellige kvantebits, der kan bruges til at bygge kvantecomputere, findes der også et bredt felt af metoder til at rette fejl i kvantebits.
»Det er, ligesom der er mange måder at lave en chokoladekage på, og hver opskrift har sine forskellige fordele. Nogle er hurtige at lave, andre er veganske og kan laves uden æg, og hvad ved jeg,« fortæller Morten Kjaergaard.
Han vurderer, at der er omtrent 10 førende metoder i feltet, der arbejder med at rette fejl i kvantebits. Metoden, som Google har brugt, kaldes for en ‘surface code logical qubit’.
»Det er den mest lovende opskrift ud fra de ingredienser, vi har i feltet lige nu,« siger Morten Kjaergaard.
\ Hvad er en fejlretning?
Morten Kjaergaard – og mange andre fysikere i hele verden – forsker intensivt i at lave ‘fejlretninger’ på kvantecomputere. Men hvad betyder det kedelige ord egentlig?
Morten Kjaergaard forklarer:
»Forestil dig, at du og jeg står til en støjende rockkoncert sammen, og jeg fortæller dig, at ‘jeg lige går i baren og henter en sodavand’. Måske kan du ikke høre det første gang, men når jeg har sagt det samme fire gange, så begynder du at kunne lime det sammen inde i hovedet«.
»At jeg gentager mig selv flere gange er en klassisk og meget simpel fejlretning. Når vi så begynder at tale om fejlretninger i kvantecomputere, så er det et helt andet monster, der er ekstremt komplekst og meget fascinerende,« lyder det fra Morten Kjaergaard.
Fysiske og logiske kvantebits
For at forstå metodens fidus, er vi nødt til at bevæge os et skridt længere ned i kvantecomputerens tekniske verden.
Når man arbejder med at rette i de superledende kvantebits, som Google og Morten Kjaergaard bruger, skelner man nemlig mellem to typer af kvantebits:
- Fysiske kvantebits. Det vil sige en partikel, der kan bruges til at lagre og manipulere kvantemekanisk information. De bruges altså til at udføre regnearbejdet, der er computerens primære formål.
- Logiske kvantebits, der bruges til at beskytte de fysiske kvantebits mod at lave fejl.
En måde at se det på er, at de fysiske kvantebits er en slags vidensarbejdere, der sidder inde i et kontor og regner på livet løs.
De logiske kvantebits er en slags vagter, der sørger for, at de fysiske kvantebits får arbejdsro til at regne uden at lave fejl.
Metaforen bliver dog lidt mere skør af det faktum, at de logiske kvantebits er opbygget af en helt masse fysiske kvantebits.
Der findes forskellige måder at designe de logiske kvantebits på. Nogle kræver mange fysiske kvantebits, og andre kræver få.
Hvis du vil dykke endnu mere ned i Googles ‘surface code logical qubit’-system, så kan du se mere i videoen fra Google Quantum AI her:
En marginal forbedring er nok
Helt konkret har Google-forskerne bygget en superledende kvante-processer med 72 kvantebits, som de har fået til at køre med to forskellige typer af fejlretnings-systemer:
- Et system af logiske kvantebits, der består af 49 fysiske kvantebits.
- Et system af logiske kvantebits, der kun består af 17 fysiske kvantebits.
Systemet med de 49 kvantebits havde i gennemsnit en fejlrate på 2,914 procent, hver gang det gennemførte en regneopgave. Det mindre system med 17 kvantebits havde en fejlrate på 3,028 procent. Forskellen på fejlraten var altså på 0,114 procentpoint.
Det store system præsterede altså kun minimalt bedre end det mindre system. Men det er alligevel nok til, at det er lidt af en verdensnyhed:
»Bare det, at der er en forskel er godt nok. For pointen er at vise det smukke i, at det kan lade sig gøre; teorien og princippet om, at fejlraten bliver mindre, når systemet opskaleres,« siger Morten Kjaergaard.
Klaus Mølmer er enig:
»Det er virkelig en marginal forbedring. Men bare det, at der er en forbedring, er godt. Vi er egentlig ret ligeglade med forskellen. For det beviser princippet i, at det er bedre at jonglere med 49 kvantebits end 17 kvantebits.«
Men hvor godt er det med en fejlrate på cirka 3 procent i gennemsnit?
»Det er stadig alt for meget. Det er ikke nok til en skalerbar kvantecomputer. Men, som de skriver i artiklen, hvis de enkelte komponenter kan forbedres med 20 procent, så begynder fejlretningen at blive skalerbar, og så nærmer man sig noget, der er rigtigt spændende,« siger Klaus Mølmer.
»En masse, masse ting skal stadig gøres«
Med andre ord er Googles gennembrud ikke et resultat, der ryster hele kvantecomputer-feltet her og nu.
Der er nemlig stadig »en masse, masse, masse ting, der stadig skal gøres«, før Google-forskernes nye resultater kan udnyttes til at bygge bedre kvantecomputere, lyder det fra Morten Kjaergaard:
»Det er et stort resultat. Men det er grundlæggende et meget teknisk resultat. Et af de helt store take-aways er, at hvis vi bygger bedre fysiske kvantebits, så bliver det ret meget nemmere at lave kvantecomputere med færre fejl i fremtiden.«
Næste skridt på vejen bør være at indbygge og bevise fejlretnings-systemet på større processorer end den 72 kvantebit-store processor, som Google har gjort i forsøget her, fortæller Klaus Mølmer:
»Vi er stadig på vakuumrørs-stadiet,« fastslår Klaus Mølmer, »men studiet er bestemt et nødvendigt skridt for at komme videre. Og det er godt, at det kommer nu, for det er noget, vi har ventet længe på.«
Lige nu findes der ingen funktionelle kvantecomputere derude. Verdens største tech-virksomheder – som Google IBM og Microsoft – kappes derfor om at komme først med en funktionel kvantecomputer.
I Danmark har Novo Nordisk Fonden investeret 1,5 milliarder kroner i et 12 år langt forskningsprogram på Niels Bohr Institutet, der skal give Danmark en fuldt funktionel kvantecomputer i 2034.
