kvantedatamaskin

En vanlig datamaskin utfører logiske operasjoner som er basert på en grunnleggende informasjonsenhet som kalles bit. 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, og ikke bare enten 0 eller 1. Når slike informasjonsenheter sammenfiltres med hverandre, viser det seg at noen typer beregninger, for eksempel søking, kan utføres mye raskere enn beregninger med en vanlig datamaskin.

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

Store aktører, slik som IBM og Google, har utviklet fungerende kvantedatamaskiner. Disse aktørene har stort sett brukt superledende materialer til å lage qubits. Disse kvantedatamaskinene utkonkurreres fremdeles av vanlige datamaskiner når det gjelder stabilitet og beregningstid for de aller fleste praktiske oppgaver. Microsoft jobber også aktivt med utvikling av kvantedatamaskiner, blant annet ved å bruke partikler kalt anyoner.

I oktober 2019 annonserte Google at de hadde oppnådd såkalt «kvanteoverlegenhet», et begrep som betyr at kvantedatamaskinen deres hadde klart å løse en oppgave som ville være umulig å løse med en vanlig datamaskin innen rimelig tid. Oppgaven er meget spesiell 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 kvantebits.

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 den informasjonen som produseres av kvantedatamaskinen.

Et av problemene man jobber med å løse er å oppnå sammenfiltring av et stort antall kvantebits uten at støynivået gjør at beregningene får for høy grad av usikkerhet. Den viktigste utfordringen er å i størst mulig grad isolere kvantedatamaskinen sine komponenter (kvantebits) fra omgivelsene, som temperatursvingninger og elektromagnetisk stråling.

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

Støyen manifesterer seg gjennom et fenomen som kalles kvantedekoherens. Dette gjør at kvantebitene blir ustabile etter en bestemt tid, noe som begrenser hvor tidkrevende beregninger dagens kvantedatamaskiner kan utføre.

Et viktig felt innenfor kvanteberegninger er derfor såkalt kvantefeil-korreksjon. Dette er teknikker som skal brukes for å beskytte kvantebits mot kvantedekoherens og annen støy.

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.

Dette ansees av mange som en alvorlig risiko for mange typer sensitive data, slik som persondata, som er kryptert med konvensjonelle algoritmer. Det er fordi en kvantedatamaskin i feil hender i prinsippet kunne blitt brukt til å i løpet av kort tid få tilgang til sensitive data på verdensbasis. Det forskes derfor på alternative krypteringsmetoder, både innenfor konvensjonell kryptografi og kvantekryptografi.