University of Waterloo, Canada: “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 det laboratorium, som huser den kraftigste kvantecomputer i verden.
”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 lægge kreditkort og elektroniske apparater her,” siger han og læsser med en klirrende bevægelse rutineret 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.
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.
To tilstande samtidig
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 tale op en helt ny æra for databehandling,” siger 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 snakke med hinanden for at 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.
Styrer naturkræfter
Ifølge Raymond Laflamme vil overgangen til kvantecomputeren 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 gigabytes.
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 10. 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 til kryptering af egne data.
Dagens 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 med kvantecomputere.
Derfor vil informationen ifølge Raymond Laflamme være sikret, så længe naturlovene er gældende i vores verden.
Øver sig stadig på at starte maskinen
I det canadiske laboratorium arbejder kvantecomputeren dog endnu ikke på at knække superkrypteringer eller finde løsninger af 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 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 materialer egenskaber.
Stor betydning for udvikling
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 lave 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 Laflame.
Med 12 kvantebit er den canadiske kvantecomputer hos Institut for Quantum Computing den største i verden på nuværende tidspunkt.
Andre steder i verden arbejder man også på at fremstille brugbare kvantecomputere, og har opnået kontrol med mellem seks og otte kvantebits gennem forskellige fremgangsmåder.
Herhjemme arbejder forskere i Århus eksempelvis på en kvantecomputer baseret på ionfælder.
Ifølge professoren arbejdes der verden rundt på omkring 10 forskellige teknologier, hvoraf et par enkelte virker lovende.
Mange veje til effektiv kvantecomputer
Raymond Laflame 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 Laflame.
”Vi ved ikke, om vores kvantecomputer svarer til flyet med vingeslag eller til brødrene Wrights fly," siger Raymond Laflamme.
