Vad är quantum computing? Vanliga datorer fungerar enligt strikta logikregler. Men små kvantobjekt – som elektroner eller ljusfotoner-kan bryta dessa regler
kvantberäkning är tanken att vi kan använda denna kvantregelbrytning för att bearbeta information på ett nytt sätt—en som är helt annorlunda än hur vanliga datorer fungerar. Detta gör dem i vissa fall exponentiellt snabbare än någon vanlig dator.
till exempel kan en kvantdator enkelt knäcka koderna som håller internetbanken säker.
så, som en superdator?
inte exakt. En kvantdator är inte bara en ”snabbare” dator. Det finns några specifika uppgifter – som factoring mycket stora antal-som en kvantdator skulle vara fantastisk på. (Det är här kodbrytningen kommer in – se nedan.) Men för de flesta jobb skulle en kvantdator vara lite bättre än en vanlig dator.
så vad kan en kvantdator användas för?
de kommer förmodligen att vara mest användbara för myndigheter, forsknings-och utvecklingsföretag och universitet för att lösa problem som nuvarande datorer kämpar med.
den första praktiska tanken, som föreslogs av fysikern Richard Feynman 1981, var att använda en kvantdator för att simulera kvantmekanik. Detta skulle påverka Kemi och biologi. Kemister kan till exempel exakt modellera läkemedelsinteraktioner och biologer kan studera alla möjliga sätt proteiner kan vikas och interagera med varandra.
medan kvantdatorer en gång var en akademisk nyfikenhet exploderade intresset 1994 när den amerikanska matematikern Peter Shor hittade ett sätt att använda kvantdatorer för att bryta koder.
för närvarande körs många online-säkerhetssystem på principen att det är nästan omöjligt att ta ett mycket stort antal och ta reda på vad dess främsta faktorer är. Allt en vanlig dator kan göra är att prova varje möjlighet efter varandra – en uppgift som kan ta miljarder år. Med hjälp av Shors algoritm kan en kvantdator utföra uppgiften om några timmar.
kvantdatorer kan också vara fantastiska för att känna igen mönster i data – användbart för maskininlärningsproblem, som att kunna identifiera olika objekt i en bild. De kan vara bra på att bygga modeller för att förutsäga framtiden, till exempel i långsiktiga väderprognoser.
men i slutändan är användningen av kvantberäkning oförutsägbar. Tänk på att Thomas Watson, IBM: s president 1943, sa: ”Jag tror att det finns en världsmarknad för kanske fem datorer.”Nu finns det fem i varje hushåll.
om prejudikat är någon guide, har vi ännu inte föreställt oss vad användningen av kvantdatorer kommer att vara.
hur fungerar kvantberäkning?
vanliga datorer är baserade på” bitar ” – föreställ dig dem som små växlar som pekar på antingen en 1 eller en 0.
kvantberäkning bygger på kvantbitar, eller” qubits”, som också kan representera en 0 eller en 1. Det galna är att qubits också kan uppnå ett blandat tillstånd, kallat en” superposition ” där de är både 1 och 0 samtidigt. Denna tvetydighet-förmågan att både ”vara” och ”inte vara” – är nyckeln till kraften i kvantberäkning.
Hur hjälper superposition?
skillnaden mellan vanliga datorer och kvantdatorer beror på hur de närmar sig ett problem.
en vanlig dator försöker lösa ett problem på samma sätt som du kan försöka fly från en labyrint – genom att försöka alla möjliga korridorer, vända tillbaka i återvändsgränder tills du så småningom hittar vägen ut. Men superposition gör det möjligt för kvantdatorn att prova alla vägar på en gång – i huvudsak att hitta genvägen.
två bitar i din dator kan vara i fyra möjliga tillstånd (00, 01, 10 eller 11), men bara en av dem när som helst. Detta begränsar datorn till att bearbeta en ingång i taget (som att försöka en korridor i labyrinten).
i en kvantdator kan två qubits också representera exakt samma fyra tillstånd (00, 01, 10 eller 11). Skillnaden är, på grund av superposition, kan qubits representera alla fyra samtidigt. Det är lite som att ha fyra vanliga datorer som körs sida vid sida.
om du lägger till fler bitar på en vanlig dator kan den fortfarande bara hantera ett tillstånd i taget. Men när du lägger till qubits växer kraften i din kvantdator exponentiellt. För matematiskt lutande kan vi säga att om du har ”n” qubits kan du samtidigt representera 2n-stater.)
det är som den gamla fabeln om en gammal Indian, kallad Sessa, som uppfann schackspelet. Kungen var glad över spelet och bad Sessa att namnge sin belöning. Sessa begärde ödmjukt ett enda schackbräde med ett vetekorn på den första torget, två på den andra, fyra på den tredje och så vidare. Kungen gick med på en gång och insåg inte att han hade lovat bort mer vete än vad som fanns på jorden. Det är kraften i exponentiell tillväxt.
precis som varje kvadrat fördubblade Sessas vete, fördubblar varje ytterligare qubit processorkraften. Tre qubits ger dig 23, vilket är åtta stater samtidigt; fyra qubits ger dig 24, vilket är 16. Och 64 qubits? De ger dig 264, vilket är 18,446,744,073,709,600,000 möjligheter! Det är ungefär en miljon terabyte värda.
medan 64 vanliga bitar också kan representera detta enorma antal (264) stater, kan det bara representera en i taget. Att cykla genom alla dessa kombinationer, med två miljarder per sekund (vilket är en typisk hastighet för en modern dator), skulle ta cirka 400 år.
allt detta innebär att kvantdatorer kan hantera problem som är” praktiskt taget omöjliga ” för klassiska datorer.
men för att få den exponentiella hastigheten måste ödet för alla qubits kopplas samman i en process som kallas quantum entanglement. Detta konstiga fenomen, som Einstein kallade” spöklik handling på avstånd”, kan ansluta kvantpartiklar även om de är i motsatta ändar av universum.
Vad gör en qubit?
för att göra en qubit behöver du ett objekt som kan uppnå ett tillstånd av kvantöverlagring mellan två tillstånd.
en atomkärna är en typ av qubit. Riktningen för dess magnetiska moment (det är ”spin”) kan peka i olika riktningar, Säg upp eller ner med avseende på ett magnetfält.
utmaningen är att placera och sedan ta itu med den enda atomen.
ett australiskt team ledt av Michelle Simmons vid University of New South Wales, har gjort atomkvbitar genom att placera en enda fosforatom i en känd position inuti en kiselkristall.
en annan IDE är att ta bort en elektron från atomen och förvandla den till en jon. Då kan du använda elektromagnetiska fält för att avbryta Jonen i ledigt utrymme, skjuta lasrar på det för att ändra sitt tillstånd. Detta ger en” fångad Jon ” kvantdator.
en ström i en slinga av superledande metall kan också vara i en superposition (mellan medurs och moturs), lite som en liten löpband som går framåt och bakåt samtidigt.
en foton av ljus kan vara i superposition i den riktning den vinkar. Vissa grupper har monterat kvantkretsar genom att skicka fotoner runt en labyrint av optiska fibrer och speglar.
Hur skapar du superpositionen?
har du någonsin försökt balansera ett mynt exakt på kanten? Det är vad programmering av en qubit är. Det handlar om att göra något för en qubit så att det på ett sätt hamnar ”balanserat” mellan stater.
när det gäller atomkärnan kan detta vara genom att zappa det med ett elektriskt eller magnetiskt fält, lämnar är med lika stor sannolikhet att snurra på ett eller annat sätt.
så hur läser du information från qubits?
det finns en aura av det mystiska om vad som händer under en kvantberäkning. Ju mer utvägsfysiker beskriver qubitsna som att engagera sig i en slags kvantsubbans med parallella världar för att gudomliga svaret.
men det är inte Magi, det är bara kvantmekanik.
säg att du har din nya 64-qubit kvantdator igång för sin första beräkning. Du placerar alla 64 qubits i superposition, precis som 64 mynt alla balanserade på kanten. Tillsammans håller de 264 möjliga stater i limbo. Du vet att en av dessa stater representerar rätt svar. Men vilken?
problemet är att läsa qubits orsakar superpositionen att kollapsa-som att slå din knytnäve på bordet med alla de balanserade mynten.
här är en kvantalgoritm som Shor ’ s kommer till nytta. Det laddar qubits för att göra dem mer benägna att falla på rätt sida och ge oss rätt svar.
har några kvantdatorer byggts ännu?
tydligen ja, även om ingen av dem kan göra någonting som överträffar konventionella datorer ännu.
de senaste tre åren har sett dramatiska framsteg inom kvantberäkning. Under 2016 firade Nature magazine en nio qubit-dator utvecklad av Google-forskare. Arton månader senare, i December 2017, rapporterade IBM sin 50 qubit kvantdator. Inom fyra månader hade Google strimmat framåt igen med sin 72-qubit ’Bristlecone’ kvantdator. Samtidigt har IBM producerat den första kommersiellt tillgängliga kvantdatorn-vilket ger molnåtkomst till deras 20 qubit Q System One-maskin, till ett pris.
D-Wave är fortfarande långt framåt med att skapa med 2000 superledande slingor som qubits, även om vissa fysiker är skeptiska att D-Wave har byggt en sann kvantdator.
alla de stora spelarna har nästa stora milstolpe i sina sevärdheter:’quantum supremacy’. Det betyder när en kvantdator löser ett problem utöver funktionerna hos klassiska maskiner. Teoretiskt sett bör detta vara möjligt med en 50-qubit-maskin, men endast om felfrekvensen är tillräckligt låg.
Varför är det så svårt att bygga en kvantdator?
det finns utmaningar på alla nivåer, från att montera qubits, att läsa och skriva information om dem, att shuttling information fram och tillbaka utan att försvinna i en puff av osäkerhet.
en qubit är den ultimata diva. Medan en Hollywoodstjärna kan kräva ett gigantiskt omklädningsrum och ett bad fullt av rosenblad, kräver en qubit perfekt isolering och en termostat inställd på en hundradel av en grad över absolut noll. Den minsta vibrationen från en närliggande atom kan få en qubit att kasta ett kvantanfall och förlora sin superposition.
den övergripande svårigheten är hur man behåller de känsliga tillstånden av superposition och intrassling tillräckligt länge för att köra en beräkning – den så kallade koherenstiden.
trots denna skrämmande utmaning har loppet att bygga den första praktiska kvantdatorn blivit en av de stora vetenskapliga utmaningarna i vår tid – med tusentals fysiker och ingenjörer på dussintals forskningsinstitut spridda runt om i världen.