Kvantdatorer är inte bara en vidareutveckling av dagens datorer – de representerar ett helt nytt sätt att bearbeta information. Genom att utnyttja kvantmekanikens lagar kan de lösa problem som är omöjliga för dagens superdatorer. Denna artikel utforskar hur dessa fascinerande maskiner fungerar, vilka utmaningar de står inför och hur de kan komma att revolutionera allt från läkemedelsutveckling till artificiell intelligens.
Vad är en kvantdator?
Till skillnad från vanliga datorer, som använder bitar för att lagra information som ettor och nollor, använder kvantdatorer kvantbitar, eller qubits. En qubit kan vara både 0 och 1 samtidigt tack vare ett fenomen som kallas superposition. Detta kan liknas vid en strömbrytare som är både på och av samtidigt, eller ett mynt som snurrar i luften och visar både krona och klave innan det landar. Denna förmåga att representera flera tillstånd samtidigt ger kvantdatorer en enorm fördel vid vissa typer av beräkningar.
Kvantmekanikens magi
Två kvantmekaniska fenomen är centrala för kvantdatorns funktion: superposition och sammanflätning (entanglement).
Superposition
Superposition innebär att en qubit kan befinna sig i en kombination av tillstånden 0 och 1. Detta ökar den mängd information som kan bearbetas exponentiellt. Två qubits kan representera fyra tillstånd samtidigt (00, 01, 10 och 11). Tre qubits kan representera åtta tillstånd, och så vidare. Redan med 50-60 qubits kan en kvantdator, enligt forskare vid Chalmers, överträffa dagens superdatorer i beräkningskraft för vissa uppgifter.
Sammanflätning (Entanglement)
Sammanflätning, eller entanglement, är ett annat fenomen som ger kvantdatorer dess kraft. När två eller flera qubits sammanflätas, blir deras tillstånd oupplösligt länkade. Oavsett avståndet mellan dem, kommer en mätning av en qubits tillstånd omedelbart att avslöja tillståndet hos de andra. Albert Einstein kallade detta fenomen för ”spöklik avståndsverkan” eftersom informationen verkar överföras snabbare än ljuset, vilket strider mot klassisk fysik. Denna sammanlänkning möjliggör komplexa beräkningar som inte är möjliga med klassiska datorer.
Att bygga en kvantdator
Att skapa en fungerande kvantdator är en enorm teknisk utmaning. Det finns ingen färdig byggbeskrivning, utan forskare världen över arbetar med olika tekniker.
Olika tekniker för kvantbitar
Några av de mest lovande teknikerna för att skapa kvantbitar är:
Supraledande kretsar
Supraledande kretsar, som används av bland annat Google och IBM, bygger på mikroskopiska elektroniska kretsar där elektrisk ström kan flyta utan motstånd vid extremt låga temperaturer. Genom att skicka mikrovågspulser kan man kontrollera och manipulera kvantbitarnas tillstånd. Dessa kretsar tillverkas ofta på chip, liknande de som används i vanliga datorer, fast i detta fall i Chalmers avancerade renrum.
Jonfällor
Jonfällor, som används av till exempel IonQ, fångar in enskilda joner (elektriskt laddade atomer) i ett elektromagnetiskt fält. Jonernas inre energitillstånd fungerar som kvantbitar, och laserstrålar används för att kontrollera och manipulera dem. Denna teknik möjliggör mycket precis kontroll av kvantbitarna.
Fotoner
Fotoner, alltså ljuspartiklar, kan också användas som kvantbitar. Deras polarisation (riktningen på ljusvågen) kan representera 0 och 1, och kvantmekaniska egenskaper hos ljus kan utnyttjas för att skapa superposition och sammanflätning. Företaget Xanadu har utvecklat en fotonbaserad kvantdator som är tillgänglig via molnet.
Utmaningar
Oavsett vilken teknik som används, finns det gemensamma utmaningar:
Isolering och kyla
Kvanttillstånd är extremt känsliga. För att bevara superposition och sammanflätning måste kvantbitarna isoleras från omgivningen. Detta görs genom att placera dem i vakuumkammare och kyla ner dem till nära den absoluta nollpunkten (-273,15 grader Celsius) – kallare än i yttre rymden. Detta för att undvika störningar från värme, vibrationer och elektromagnetiska fält, vilket framgår i forskning som SVT rapporterat om.
Kontroll och manipulation
För att utföra beräkningar måste kvantbitarna kunna styras och manipuleras. Detta innebär att man måste kunna initiera dem i ett visst tillstånd, skapa sammanflätning mellan dem, utföra kvantlogiska operationer och läsa av resultatet. Detta görs med hjälp av mikrovågspulser (för supraledande kretsar) eller laserstrålar (för jonfällor).
Felkorrigering
Kvantbitar är benägna att göra fel på grund av störningar. Att utveckla metoder för att upptäcka och korrigera dessa fel utan att förstöra den kvantmekaniska informationen är avgörande. Forskning inom kvantfelkorrigering är därför central, och framsteg som Googles Willow-chip, som minskar felhastigheten, är mycket lovande enligt Forskning & Framsteg.
Kvantalgoritmer – att utnyttja kvantdatorns kraft
För att dra nytta av kvantdatorns unika egenskaper krävs speciella algoritmer, anpassade till kvantmekanikens lagar.
Shors algoritm
En av de mest kända kvantalgoritmerna är Shors algoritm, skapad 1994 av Peter Shor. Denna algoritm kan effektivt faktorisera stora tal i primtal – en uppgift som är mycket tidskrävande för vanliga datorer. Många moderna krypteringsmetoder, som RSA, bygger på att det är svårt att faktorisera stora tal. Shors algoritm visar att en tillräckligt kraftfull kvantdator skulle kunna knäcka dessa krypteringar, vilket skulle få stora konsekvenser för datasäkerhet. Det är dock viktigt att komma ihåg att detta är en teoretisk möjlighet, och det krävs fortfarande mycket utveckling innan det blir en praktisk realitet, och algoritmen i sig är väldigt komplicerad.
Grovers algoritm
Grovers algoritm, utvecklad 1996, är en annan viktig kvantalgoritm. Den kan användas för att söka i osorterade databaser mycket snabbare än vad som är möjligt med klassiska algoritmer. Istället för att behöva söka igenom varje element i databasen ett efter ett, kan Grovers algoritm hitta det sökta elementet med en kvadratisk hastighetsförbättring.
Andra algoritmer
Forskare utvecklar ständigt nya kvantalgoritmer för olika tillämpningar, bland annat inom kvantkemi (för simulering av molekyler och material), optimering (för att hitta de bästa lösningarna på komplexa problem), och maskininlärning (för att träna AI-modeller).
Tillämpningar – från medicin till AI
Kvantdatorer har potential att revolutionera många områden:
Läkemedelsutveckling
Genom att simulera molekylers beteende kan kvantdatorer hjälpa forskare att utveckla nya läkemedel snabbare och mer effektivt. Detta kan leda till genombrott i behandlingen av sjukdomar som cancer, Alzheimers och HIV.
Materialvetenskap
Kvantdatorer kan användas för att designa nya material med skräddarsydda egenskaper, till exempel supraledare som leder ström utan motstånd vid rumstemperatur, eller extremt starka och lätta material för flygplan och bilar.
Artificiell intelligens
Kvantdatorer kan snabba upp träningen av AI-modeller och möjliggöra utvecklingen av mer avancerade AI-system. Detta kan få stor betydelse inom områden som bildigenkänning, naturlig språkbehandling och robotik.
Finans
Redan idag används kvant- och kvantinspirerade system inom finanssektorn för att skapa mer robusta aktieportföljer och optimera finansiella modeller, enligt Warp News.
Optimering
Många problem inom logistik, transport och produktion handlar om att hitta den bästa lösningen bland ett enormt antal möjliga alternativ. Kvantdatorer kan användas för att lösa sådana optimeringsproblem mycket snabbare än klassiska datorer.
Kvantöverlägsenhet – en milstolpe
Ett viktigt begrepp inom kvantberäkning är ”kvantöverlägsenhet” (quantum supremacy). Detta innebär att en kvantdator kan utföra en beräkning som är praktiskt taget omöjlig för världens snabbaste superdator att klara av inom rimlig tid. Google påstod sig ha uppnått detta 2019 med sin kvantdator Sycamore, men resultaten har debatterats. Oavsett detta markerar det en viktig milstolpe. Flera forskargrupper, inklusive de från Google, Xanadu och IBM, har sedan dess demonstrerat kvantöverlägsenhet för specifika problem, vilket bekräftar teknikens potential, vilket Chalmers också rapporterar.
Kvantdatorer i Sverige
Sverige är en aktiv deltagare i den globala utvecklingen av kvantdatorer. Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT), koordinerat av Chalmers tekniska högskola, är ett centralt initiativ. WACQT har som mål att bygga en svensk kvantdator med 100 kvantbitar, och detta förväntas vara klart kring 2029. Genom samarbeten, som det mellan Chalmers och IBM, görs tekniken också mer tillgänglig för svenska företag och forskare.
Framtiden: Kvantdatorer som co-processorer
Kvantdatorer kommer inte att ersätta vanliga datorer helt och hållet. Istället förväntas de fungera som co-processorer till klassiska superdatorer, likt en extra kraftkälla. De kommer att ta hand om de beräkningstunga delarna av problem som de är särskilt lämpade för, medan de klassiska datorerna hanterar resten. Exempelvis kan en kvantdator simulera en molekyls beteende, medan en klassisk dator analyserar resultaten och presenterar dem för forskaren.
Sammanfattning
Kvantdatorer representerar en ny era inom beräkningsteknik. De utnyttjar kvantmekanikens principer, superposition och sammanflätning, för att utföra beräkningar på ett sätt som är omöjligt för klassiska datorer. Även om tekniken fortfarande är under utveckling, är potentialen enorm. Kvantdatorer förväntas revolutionera områden som läkemedelsutveckling, materialvetenskap, artificiell intelligens och många fler. Utvecklingen i Sverige, genom bland annat WACQT, visar att vi är med i den globala kapplöpningen. Som forskare uttrycker det, handlar det om ”en helt ny dimension” av beräkningskraft, och resan mot att bemästra denna kraft har bara börjat.
