Denne artikel stammer fra det trykte Computerworlds arkiv. Artiklen blev publiceret den Computerworld d. 20. april 2007.
Med bare 2.000 kvantebits under kontrol og en clockfrekvens på 100 Hertz vil kvantecomputeren have en regnekraft, der svarer til, at nutidens kraftigste computer arbejder i en million år.
Verdens kraftigste kvantecomputer er canadisk og har i øjeblikket regnekraft som en elektronhjerne fra 1958. Men i fremtiden er potentialet kodeknækning på minutter og regnekraft nok til at knække hemmeligheden bag det menneskelige genom. Computerworld har set på maskinen.
Håbet om enorm regnekraft får verden rundt forskere til at arbejde på at virkeliggøre drømmen om en brugbar computer baseret på kvantemekanik. En kvantecomputer vil nemlig på minutter kunne udføre beregninger, der vil tage millioner af år med konventionelle supercomputere. Men en kvantecomputer vil også kunne knække krypteringskoder på minutter, og den har derfor stor militær og efterretningsmæssig interesse. Eksempelvis ligger svaret på Kennedy-mordet måske gemt i enorme mængder allerede aflyttet data, når det lykkes at dekryptere de enorme mængder af informationer.
Faktisk formodes det, at halvdelen af verdens kvantecomputerforskning foregår i militært regi. Således skulle det amerikanske militær have udlovet seks milliarder kroner til de forskere, der kan levere den første logiske 128-bit computer. I den civile forskningsverden er man for tiden nået længst på University of Waterloo i Canada. Her er det med massive private investeringer lykkedes at tiltrække en hård kerne af dygtige forskere på Intitute for Quantum Computing, der sammen har skabt den hidtil kraftigste kvantecomputer i verden.
Kraftigt magnetfelt
"Har du en pacemaker eller noget andet metal i kroppen," spørger Raymond Laflamme, da døren til den neonoplyste, vinduesløse betonkorridor i kælderplan smækker i bag os. Vi er netop gået ind i forrummet til Intitute for Quantum Computings laboratorium.
"Ikke så vidt jeg ved," siger jeg og kigger en ekstra gang på de gule advarselsskilte om kraftige magnetfelter på den næste dør. "Du må hellere ligge kreditkort og elektroniske apparater her," siger han og læsser med en klirrende rutineret bevægelse nøgler, mønter og mobiltelefon af på et bord, inden han åbner døren til laboratoriet.
Professoren er leder af Institut for Quantum Computing, og bag den skiltespættede, hvide metaldør befinder verdens største kontrollerbare kvantecomputer sig i en minus 266 grader kold metallivmoder placeret i midten af et magnetfelt, der er 100.000 gange kraftigere end jordens.
Atomer i krystalform
Klip til nærbillede af Læsø-saltkornslignede, hvidt krystal af malonsyre på spidsen af Raymond Laflammes pegefinger.
"Det her er hjernen i computeren," siger professoren entusiastisk med en tydelig fransk accent.
I laboratoriet eksperimenterer Raymond Laflamme og hans hold af forskere med forskellige molekyler, som kan tænkes at have de rigtige egenskaber til at fungere som et kvantebaseret computersystem. Malonsyren har tre kulstofatomer og giver computeren tre såkaldte kvantebit. Men andre molekyler har flere kulstofatomer. Rekorden er 12 kvantebit, som forskerne ved hjælp af en vægfuld grå apparater er i stand til at få til at arbejde sammen som et computersystem.
Atomerne kan bruges som bits i en kvantecomputer, fordi kulstofatomerne opfører sig som små magneter. Peger de opad, får de værdien et, og hvis de peger nedad, får de værdien nul. Men kvantebittens store potentiale ligger i de såkaldte superpositioner, der i praksis gør kvantebittene i stand til at have begge værdier samtidig.
"Kvantemekanikken vil gøre computeren ufatteligt meget kraftigere. Der er tale om en helt ny æra for databehandling," siger Raymond Laflamme.
100 år gammel teori
Teorien om kvantemekanikken blev formuleret i starten af det 20. århundrede af blandt andre Albert Einstein og Niels Bohr. Siden da er teorien blevet efterprøvet meget intensivt. Men først da man fandt ud af, hvordan man kan kontrollere teorien i praksis, indså man, at kvantemekanikken kan blive meget, meget kraftfuld, fortæller Raymond Laflamme. Forskerne kan lagre eller hente data fra computerens 12 kvantebits ved at "tale" med kulstofatomerne via radiobølger. Hvert atom har sin egen frekvens, og derfor kan det lade sig gøre at komme i kontakt med dem. Men for at udføre beregninger må atomerne også kunne udveksle oplysninger.
I en traditionel computer kommunikerer transistorerne, der hver især udgør en bit, ved hjælp af mikroskopiske ledninger i processorerne. Men i en kvantecomputer er der ingen ledninger. I stedet kommunikerer kvantebittene ved at reagere på hinandens magnetfelter.
Kontrol med ny naturkraft
Overgangen til kvantecomputeren vil betyde et paradigmeskift i vores måde at betragte information på, og vil slet ikke kunne sammenlignes med at gå fra eksempelvis en Pentium 2 til en Pentium 3 processor.
"Det svarer til at kunne styre en helt ny naturkraft," siger Raymond Laflamme.
En traditionel computer arbejder i øjeblikket med datamængder på flere hundrede konventionelle gigabyte på harddisken, en clockfrekvens på tre gigahertz og en hukommelse på flere hundrede gigabyte. Til sammenligning har den canadiske kvantecomputer kun nogle få kvantebit, og forskerne er i stand til at styre 12 af dem samtidigt. En kvantebit har en regnekraft der svarer til omkring to konventionelle bits i tiende potens. Dermed kan den canadiske kvantecomputer altså udføre de samme beregninger som en konventionel computer på lidt mere end 1.000 bits.
"Så den er på samme stadie som de konventionelle computere fra sidst i 1950'erne, lige før opfindelsen af transistoren," siger Raymond Laflamme.
En million års beregninger
Men potentialet er imidlertid enormt. Med bare 2.000 kvantebits under kontrol og en clockfrekvens på 100 Hertz vil kvantecomputeren have en regnekraft, der svarer til at nutidens kraftigste computer arbejder i en million år. De bedste krypteringskoder i verden vil kunne knækkes på en halv times tid. Derfor har kvantecomputeren da også stor interesse for regeringer og efterretningstjenester verden rundt. Ingen fremmede data vil længere kunne hemmeligholdes. Den militære interesse for kvantemekanikken er derfor så stor, at der angiveligt er ansat ligeså mange forskere i militæret som i den civile forskningsverden.
Men kvantemekanikken vil også få betydning for kryptering af egne data. Nutidens sikreste krypteringsalgoritmer bygger nemlig på løsningen af matematiske opgaver, typisk beregninger af primtalsfaktorer. Sikkerhedsløsninger baseret på kvanteinformation vil betyde et paradigmeskift, fordi kvantekryptering er baseret på naturlovene og ubrydelig, selv for kvantecomputere. Derfor vil informationen ifølge Raymond Laflamme være sikret, så længe naturlovene er gældende i vores verden.
Driller forskerne
I det canadiske laboratorium arbejder kvantecomputeren dog endnu ikke på at knække superkrypteringer eller finde løsninger på matematiske paradokser. I stedet bruger forskerne tiden på at køre en uendelig række systemtests. Blandt andet afprøver de, hvor gode de er til at få computeren til at frembringe de såkaldte superpositioner, der er princippet i kvanteberegningerne. Forskerne tester også, om maskinen starter ordentligt op med alle kvantebits nulstillet, sådan som en traditionel pc gør. Og i øjeblikket driller det lidt, fortæller Raymond Laflamme.
Men på længere sigt vil vi gerne kunne simulere systemer, der opfører sig kvantemekanisk, siger han. Eksempelvis vil forskerne gerne kunne simulere, hvordan nye materialer opfører sig, så kemikere slipper for at eksperimentere sig møjsommeligt frem i kemilaboratorierne. Denne udfordring passer godt til kvantecomputeren, fordi traditionelle computere har problemer med de ekstremt komplekse beregninger af materialers egenskaber.
Betydning som ilden
Raymond Laflamme sammenligner betydningen af kvantemekanikken med, hvad kontrollen over ild kom til at betyde for menneskets udvikling og samfundsstruktur. Ilden gav mulighed for agerbrug, damp og den industrielle revolution og dermed evnen til at konstruere maskiner der fremstiller maskiner.
"Det her er første skridt mod at kontrollere en ny naturkraft, der kan udnyttes til specifikke teknologier som kvantecomputere eller kvantekryptering. Ingen ved, hvor vi ender, men det vil formentlig ændre hele den måde, samfundet fungerer på, siger Raymond Laflamme.
Med 12 kvantebit er den canadiske kvantecomputer hos Institut for Quantum Computing som nævnt den største på nuværende tidspunkt. Andre steder i verden arbejder forskere også på at fremstille brugbare kvantecomputere, og de har opnået kontrol med mellem seks og otte kvantebits gennem forskellige fremgangsmåder. Herhjemme arbejder forskere eksempelvis på en kvantecomputer baseret på ionfælder. Ifølge professoren arbejdes der verden rundt på omkring ti forskellige teknologier, hvoraf et par enkelte virker lovende.
Mange teknologier afprøves
Raymond Laflamme sammenligner forskningen i kvantecomputere med de første eksperimenter med flyvning i starten af det 20. århundrede. Her prøvede man både med luftballoner og vinger, der efterlignede fuglenes vingeslag. Men siden viste det sig, at disse metoder ikke var den rigtigste måde at flyve på. I stedet blev det brødrene Wrights metode, der blev den gældende, fortæller Raymond Laflamme.
"Vi ved ikke, om vores kvantecomputer svarer til flyet med vingeslag eller til brødrene Wrights fly, siger Raymond Laflamme.
iqc.ca/institue of quantum computing
iqc.ca/laboratories/lab.php?id=4 laboratoriet
en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computer
Faktaboks:
Kvantefakta
Chipgiganten Intel har forudset, at Moores lov vil gælde frem til 2020. Her vil transistorer være på størrelse med et enkelt atom. Herefter bliver det nødvendigt at tage kvantemekanikken i brug for at komme videre.
Kvantecomputeren har store kræfter, fordi de enkelte atomer groft sagt kan være to steder på en gang. Derfor vil en kvantecomputer med 2.000 bits kunne udføre en regneopgave, som vil tage den hurtigste nutidige computer omkring en million år at udføre.
billedtekst: forsøg?Raymond Laflamme (herover) og hans forskere bruger standardudstyr i laboratoriet. De eksperimenterer med forskellige molekylers atomer som kvantebits i deres computer. Ståltanken (til højre) er en hyldevare til laboratorier. Inde i tanken er der minus 266 grader, og i midten sidder krystallet med kvantecomputerens hjerne.
OriginalModTime: 19-04-2007 13:20:59
