kvantedatamaskin

En kvantedatamaskin er en maskin som utfører logiske operasjoner basert på kvantemekaniske prosesser. Ved å benytte seg av kvantebits istedenfor bits, vil bestemte typer problemer (slik som faktorisering av store tall) kunne løses mye raskere enn med vanlige datamaskiner.

Fordelen til kvantedatamaskiner ligger i hvordan sannsynligheten for målinger av ulike kvantemekaniske tilstander fungerer, hvilket lar en designe svært effektive algoritmer for å løse bestemte typer problemer.

Per 2022 har forskningsgrupper klart å lage kvantedatamaskiner bestående av flere titalls kvantebits. Dette viser at kvantedatamaskiner er mulige å lage, men for å kunne utføre praktisk nyttige oppgaver vil det være nødvendig å øke antallet kvantebits betraktelig utover det som er mulig i dag.

Beskrivelse

Grunnleggende enhet

En vanlig datamaskin utfører logiske operasjoner som er basert på en grunnleggende informasjonsenhet som kalles bits. En bit kan kun ha to mulige verdier, enten 0 eller 1. I en datamaskin kan dette representeres som ingen strøm (0) eller strøm (1).

I en kvantedatamaskin er den grunnleggende informasjonsenheten en kvantebit (også kalt qubit). En kvantebit kan være i en blandingstilstand av 0 og 1. Når slike informasjonsenheter sammenfiltres med hverandre, viser det seg at noen typer beregninger, for eksempel søking, kan utføres mye raskere enn beregninger basert på en vanlig datamaskin.

Utforming av kvantedatamaskin

Det har blitt foreslått at flere ulike typer kvantefysiske systemer kan utgjøre en kvantebit, som i sin tur danner grunnlaget for kvantedatamaskinen. Noen av disse systemene er:

kvanteprikker som benytter seg av elektronspinn
superledende kretser som benytter seg av josephsoneffekten
diamant med nitrogenhull-defekter

Utfordringer

En betydelig utfordring for kvanteberegninger er at de fysiske prosessene som benyttes til å utføre operasjoner i kvantedatamaskiner også gir opphav til støy. Dette skaper i sin tur en usikkerhet i informasjonen som produseres av kvantedatamaskinen.

I nær framtid ser man derfor for seg at kvantedatamaskiner først og fremst blir nyttige til å løse problemer der man kan leve med litt støy. En slik viktig anvendelse er å simulere og designe kvantesystemer, slik som molekyler eller nanoteknologi. På lengre sikt kan det tenkes at kvantedatamaskiner kan brukes til blant annet søking og optimalisering.

Den mest kjente algoritmen som kan bli aktuell for framtidens kvantedatamaskiner, er den såkalte Shor-algoritmen for å faktorisere store tall. Denne algoritmen kan brukes til å knekke mye av den krypteringen som fins i moderne kommunikasjon. Det forskes derfor på alternative krypteringsmetoder, både innenfor konvensjonell kryptografi og kvantekryptografi.

I oktober 2019 annonserte Google at de hadde oppnådd såkalt «kvanteoverlegenhet», et begrep som betyr at kvantedatamaskinen deres hadde klart å løse et problem som ville være umulig å løse med en vanlig datamaskin innen rimelig tid. Problemet er meget spesielt og uten praktisk interesse, men antyder likevel at kvantedatamaskiner er i ferd med å kunne utføre oppgaver som til nå har vært umulige. Kvantedatamaskinen som Google i oktober 2019 brukte til å demonstrere «kvanteoverlegenhet» var basert på superledende qubits.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

Fagansvarlig for Kvantefysikk

Jacob Linder

professor, NTNU – Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet