Hva er en kvante-PC?

Kjernen i en kvante-PC er en samling qubits (quantum bits), kalt et register. Dette er fundamentale kvantemekaniske partikler som kan interagere med hverandre. Man kan for eksempel bruke elektroner, fotoner (lyspartikler) eller mer komplekse konstruksjoner. Denne samlingen er prosessoren og harddisken i en kvante-PC. En beregning i en kvante-PC vil overordnet foregå omtrent slik:

1. Skriv input til registeret.
2. Kjør algoritmen din. Denne vil bestå av en eller flere kvantemekaniske operasjoner på qubitene.
3. Foreta en måling. Dette vil gi en output som tolkes av en klassisk PC. Samtidig vil målingen ødelegge tilstanden i registeret, så det er ikke noe kvantemekanisk informasjon igjen i systemet. Algoritmen er derfor avsluttet. Dette kan høres urimelig ut, men sånn er naturen. (Protester henvises til Erwin Schrödinger og katten hans, hvis den lever.)

Klassisk PC vs kvante-PC

Så langt virker dette veldig likt en tradisjonell (klassisk) PC. Så hva kan en kvante-PC gjøre som en klassisk ikke kan? Rent teoretisk er svaret faktisk ingenting, fordi man kan alltid bruke en klassisk PC til å simulere en kvante-PC, men i praksis er det enkelte ting klassiske PCer aldri vil kunne skalere til å løse. Her kommer forskjellen med kvante-PCer: hvis man legger til en qubit i registeret, tilsvarer det å doble antall klassiske bits i beregningen. Klassiske transistorer vil ikke kunne krympes lengre når de nærmer seg størrelsen til atomer, men hvem vet hvor mange qubits man klarer trykke sammen?

De siste årene har det foregått et kappløp mellom klassiske og kvantemekaniske PCer, der målet er “quantum supremacy”. Dette regnes som oppnådd når man har gjort en beregning på en kvante-PC som ikke er praktisk gjennomførbar på en klassisk. (Hjemmelekse til spesielt interesserte: hvordan verifiserer man at beregningen ga riktig svar?) Beregningen trenger ikke å være nyttig, den må bare være klassisk “uoppnåelig”. Ifølge dagens wikipedia har en forskergruppe gjort en beregning på 20 sekunder som ville tatt 600 millioner år på en klassisk super-PC. Hvis dette stemmer kan man trygt si at quantum supremacy allerede er oppnådd.

Praktisk anvendelse

Som nevnt over er det enkelte problemer som (sannsynligvis) aldri vil la seg løse med en klassisk PC, men som kanskje kan løses med en kvante-PC. Her er litt spekulasjon i hvilke problemer dette kan være:

• Optimering: Dette er en klasse av problemer som dukker opp overalt i nær sagt alle domener. For eksempel innen logistikk, der man gjør mye heurestikk og tallknusing for å finne en ganske god løsning. Med kvante-PCer kan man benytte andre algoritmer som vil kunne gi bedre løsninger mye raskere. Maskinlæring er en type optimering som også vil kunne få et løft med kvante-PCer.
• Spionasje: Moderne public/private key-kryptering er basert på at man kan publisere sin public key fordi det er uoverkommelig å regne ut private key. RSA er for eksempel basert på at primtallsfaktorisering er vanskelig, men dette er mye enklere på en kvante-PC. Når man nå leter etter den neste krypteringsalgoritmen er det et viktig poeng at denne skal være “quantum proof”.
• Grunnleggende problemer innen fysikk og kjemi: Simulering av fysiske og kjemiske prosesser er typisk ekstremt ressurskrevende, og en kvante-PC er mye bedre egnet til å gjøre dette enn en klassisk. Dette vil kunne gi gjennombrudd i f.eks. materialteknologi og medisin.

De dårlige nyhetene

Så hvis både kvante-PCene og problemene er klare, hvorfor er vi ikke i gang? Svaret på dette ligger i at hardwaren til kvante-PCer er ekstremt vanskelig. Man må sette sammen og kontrollere fundamentale fysiske byggeklosser mens man prøver å holde systemet fritt for støy og andre uhumskheter. Faktisk er kvantemekanikken i seg selv slik at det er relativt vanlig å få ut feil svar etter å ha gjort en beregning. Dette blir typisk løst ved at man gjør beregningen flere ganger, og det hyppigst forekommende svaret vil være det riktige.

Dagens kvante-PCer har for få qubits (noen titalls), og de mister tilstanden for fort gjennom en prosess kalt dekoherens til å gjøre noe nyttig. I tillegg er det vanskelig å kontrollere hvilke qubits som interagerer med hverandre, noe som er en forutsetning for gode beregninger.

Målet om en robust, universell kvante-PC er nok dessverre fortsatt et stykke unna, og noen autoriteter på feltet tror at det aldri vil bli oppnådd.

Fremtidens datamaskin

Så hvordan ser fremtiden ut? Vil alle PCer, mobiler og andre duppeditter bli kvante-PCer, kvante-mobiler og kvante-duppeditter? Det er sjeldent lurt å prøve å spå fremtiden, men svaret her er nok et soleklart “nei”. For de fleste beregningsoppgaver vil klassiske prosessorer holde lenge. Kvante-PCer vil heller være et supplement der man trenger regnekraft i “universell” skala. Hvis de noen gang kommer, da.