Det har varit mycket prat om kvantdatorer, och ett stort antal forskningsteam har gjort ”framsteg” och det är kvantbitar (qubitar) hit och dit, men hur fungerar egentligen en kvantdator? Det finns mindre, körbara experiment med uppåt 7 kvantbitar, men i övrigt tycks det mesta röra sig om ”framsteg” som är mycket svårförklarliga.
För att förstå kvantdatorer kommer du att tvingas stifta bekantskap med termer som superposition och entanglement. Kvantdatorer löser matematiska problem med hjälp av kvantmekaniska fenomen och bär sig icke-deterministiskt och probabilistiskt åt - alltså något helt annat än en vanlig, klassisk dator, som ju är helt deterministisk. Man kan vid varje givet läge bestämma vad den kommer att göra.
Olika resultat varje gång
Icke-deterministiska beräkningar är i stället sådana som ger olika resultat varje gång man gör om dem. En probabilistisk algoritm är en som är baserad på en slumptalsgenerator.
Blev det klarare? Nehe, inte det?
Vi tittar in på institutionen för tillämpad kvantfysik på Chalmers Tekniska Högskola och pratar med professor Göran Johansson. På hans bildskärm ser vi en ström av flerdimensionella ekvationer och integraler, men vi ber honom att skippa matematiken och i stället berätta om vilka problem man kan lösa med en kvantdator.
– Det som alla nämner är Shors algoritm, alltså att faktorisera primtal. Det är det första verkliga problemet man löst, och att man vet att det är svårt. I övrigt är det magert med problem att lösa. Men en anledning till det är väl också att det inte finns några kvantdatorer ...
– Andra tillämpningar är olika optimeringsproblem, till exempel att lägga en flygrutt på bästa sätt, vilka kaptener ska vara på vilka flygplan och så vidare, alltså ”the travelling salesman problem”. Det består av en väldig mängd noder mellan vilka man ska lägga den ekonomiskt med fördelaktiga rutten. Det är enkelt att testa enskilda rutter, men när man ska testa tusen rutter ökar problemet exponentiellt i komplexitet. Med n stycken noder blir det 2n möjligheter. Med 1 000 noder blir problemet olösligt på en klassisk dator, men med en kvantdator räcker det med roten ur antalet möjligheter. I och med att datorn löser alla vägar samtidigt och man får alla svaren samtidigt, och med störst sannolikhet den färdväg som kostar minst. Det här är inte lika spännande och brukar inte framhållas så ofta, men har praktisk användning, säger Göran Johansson.
En helt annan arbetsgång
Arbetsgången när man löser problem med kvantdatorer är lite annorlunda jämfört med klassiska datorer. Man börjar med att formulera sitt problem på ett sådant sätt att det kan lösas med en kvantdator. Därefter skriver man ett kvantprogram, som är en beskrivning av hur kvantdatorn ska byggas upp för just detta problem. Kvantdatorn kopplas in och görs supraledande och problemet appliceras. Svaret kommer omedelbart, men det är sällan rätt på en gång, utan bara rätt med en viss sannolikhet.
Svaret, eller svaren, måste testas på en klassisk dator, till exempel genom att man dividerar den beräknade faktorn med primtalet för att se att man fick den andra faktorn. Att faktorisera primtal, det vill säga att dela upp primtalet i två heltal som kan multipliceras med varandra för att ge talet, är mycket resurskrävande, men att multiplicera de båda faktorerna för att kontrollera svaret, är enkelt. Det måste ända finnas en chans att datorn lämnar rätt svar oftare än fel svar, annars vore den meningslös. Och det gör den naturligtvis. Men man tvingas göra om kvantberäkningen tillräckligt många gånger för att få ett tillförlitligt svar.
Problem som inte låter sig lösas på detta sätt, alltså genom att svaret kan testas efteråt, kan inte lösas på kvantdatorer. Det utesluter det mesta vi är vana vid till vardags, som ordbehandling eller grafik. Så som teorierna ser ut just nu är all interaktivitet omöjlig. Problemet är över på ett par hundra nanosekunder, eller inte alls.
– Det kan tyckas märkligt med kvantbitar som kan inta båda tillstånden samtidigt, men det är inget man kan få ut utanför kvantdatorn. I samma stund man mäter på den får man det ena tillståndet. Man säger att tillståndet kollapsar. Det är i detta ögonblick kretsen är tvungen att bestämma sig för ett entydigt svar.
Mycket förbryllande. Hur det kan vara så?
– Man kan räkna på problemet, och vi vet hur vi ska beskriva oscillatorn som både kan svänga och befinna sig i grundtillståndet samtidigt, men varför, det vet jag inte. Det är det ingen som vet.
Rätt svar alltså, att erkänna att han inte vet. Ovanligt för att komma från en professor.
