Da de første datamaskinene så dagens lys i begynnelsen av 1940-årene, var de laget med vakuumrør. Så kom til transistoren, og etter hvert ble datamaskinen allemannseie.
Kvantedatamaskinen befinner seg i dag fortsatt på det første vakuumrør-stadiet.
Men nå har en forskergruppe fra Google løst et problem som kan sette fart på sakene.
I en studie som nylig er utgitt i det vitenskapelige tidsskriftet Nature, har Google-forskerne presentert en metode for å redusere antall feil kvantedatamaskiner gjør.
– Det de har bevist, er et helt nødvendig skritt på veien til å kunne bygge store kvantedatamaskiner, sier fysikkprofessor Klaus Mølmer, som forsker på kvantefysikk og datamaskiner ved Niels Bohr Institutet i Danmark.
Professoren mener det er en milepæl.
Dansk forsker: «Helt fantastisk»
Samme tolkning kommer fra Morten Kjaergaard, som er førsteamanuensis i fysikk, også ved Niels Bohr Institutet. Han forsker på å redusere regnefeil i kvantedatamaskiner:
– Google har for første gang demonstrert at den grunnleggende teorien vi har for store feilrettinger i kvantedatamaskiner, virker, forklarer Kjaergaard.
– Det er fantastisk. Det er en utrolig vanskelig teknisk oppgave de har løst, forteller han.
Bevis for 30 år gammel teori
Hva er kvantebits og hvorfor er de viktige?
Kvantebits er de enhetene en kvantedatamaskin bruker til å lagre informasjon. Datamaskinen eller telefonen du sitter på akkurat nå, bruker vanlige bits.
En kvantebit er basert på en kvantefysisk nanopartikkel – et elektron, et foton eller et atom.
Kvantebits kan designes på helt ulike måter. To typer er:
- Kvantebits som består av superledende materialer. Det er den typen Google jobber med.
- Fotoniske kvantebits – det vil si bits basert på lys.
Det å lage kvantedatamaskiner som kan tas i bruk i praksis, er vanskelig fordi datamaskinens byggesteiner – kvantebits – er veldig sårbare for påvirkninger fra omgivelsene.
Problemet med kvantebits er at de lett blir ustabile. Det gjør at utregningene blir feil.
Kvantebits har nemlig problemer med å opprettholde en stabil kvantetilstand når de utsettes for «støy» – som magnetfelt, lys og varme – fra den «vanlige» verden der den tradisjonelle fysikken hersker.
Derfor må noen typer av kvantebits – det gjelder blant annet superledende variantene Google-forskerne jobber med – ha en temperatur på minus 273,1 grader. Det må de fortsatt.
I flere tiår har forskere strevd med å finne de beste metodene til å rette feilene i systemet.
Googles nye studie viser for første gang at feilene blir mindre etter hvert som systemet av kvantebits – og dermed kvantedatamaskinen – blir større.
Det er det forskernes teori har vært siden 1994.
Men teorien har ikke blitt testet før.
– Poenget er at det lønner seg å bygge større kvantedatamaskiner. Det var det vi håpet på, sier Morten Kjaergaard.
Som en sjokoladekake
På samme måte som det finnes et felt av ulike kvantebiter som kan brukes til å bygge kvantedatamaskiner, finnes det også mange andre metoder for å rette feil i kvantebits.
– Det er er mange måter å bake en sjokoladekake på, og hver oppskrift har sine fordeler. Noen er går fort, andre er veganske og så videre, forteller Kjaergaard.
Han forteller at det er omtrent ti metoder forskerne i dag bruker til å rette feil i kvantebits. Metoden Google har brukt, kalles for «surface code logical qubit».
– Det er den mest lovende oppskriften ut fra de ingrediensene vi har akkurat nå, sier Kjaergaard.
Fysiske og logiske kvantebits
For å forstå metoden, må vi bevege oss et skritt lenger ned i kvantedatamaskinens tekniske verden.
Når man jobber med å rette i superledende kvantebits, som Google og Morten Kjaergaard, skiller man nemlig mellom to typer:
Fysiske kvantebits. Det vil si en partikkel som kan brukes til å lagre og manipulere kvantemekanisk informasjon. De brukes med andre ord til å utføre regnearbeidet.
Logiske kvantebits, som brukes til å beskytte fysiske kvantebits mot å gjøre feil.
- Fysiske kvantebits er en slags kunnskapsarbeidere som sitter på et kontor og regner.
- Logiske kvantebits er en slags vakter som sørger for at de får arbeidsro.
Men logiske kvantebits er bygget opp av en helt masse fysiske kvantebits.
Det finnes ulike måter å designe logiske kvantebits på. Noen krever mange fysiske kvantebits, og andre krever få.
Hvis du vil utforske Googles surface code logical qubit-system, kan du se mer i denne videoen fra Google Quantum AI:
En marginal forbedring er nok
Google-forskerne har bygget en superledende kvante-prosess med 72 kvantebits med to ulike typer feilrettingssystemer:
- Et system av logiske kvantebits som består av 49 fysiske kvantebits.
- Et system av logiske kvantebits som består av bare 17 fysiske kvantebits.
Systemet med 49 kvantebits hadde i gjennomsnitt en feilrate på 2,914 prosent for hver regneoppgave. Det mindre systemet med 17 kvantebits hadde en feilrate på 3,028 prosent.
Det store systemet presterte med andre ord bare marginalt bedre. Men det er likevel nok til at det er en verdensnyhet:
– Bare det at det er en forskjell, er nok. Poenget er å vise det at det er mulig; teorien og prinsippet om at feilraten blir mindre når systemet skaleres, sier Kjaergaard.
Klaus Mølmer er enig:
– Det er en marginal forbedring. Men bare det at det er en forbedring, er bra. Vi bryr oss egentlig ikke om forskjellen. For det beviser at det er bedre med 49 enn 17.
– Men hvor bra er det med en feilrate på 3 prosent?
– Det er fortsatt altfor mye. Det er ikke nok til en skalerbar kvantedatamaskin. Men de skriver i artikkelen at hvis de enkelte komponentene kan forbedres med 20 prosent, begynner feilrettingen å bli skalerbar, og da nærmer man seg noe som er veldig spennende, sier Mølmer.
Hva er en feilretting?
Fysikere over hele verden forsker intensivt på «feilrettinger» for kvantedatamaskiner. Men hva betyr egentlig det kjedelige ordet?
Morten Kjaergaard forklarer:
– Forestill deg at du og jeg er på rockekonsert, og jeg forteller deg at «jeg går i baren og henter en brus». Du hører kanskje ikke hva jeg sier første gang, men når jeg har sagt det samme fire ganger, begynner det kanskje å demre.
– At jeg gjentar meg selv, er klassisk feilretting. I kvantedatamaskiner brukes helt andre metoder, som er ekstremt komplekse og fascinerende, forteller Kjaergaard.
Mye som gjenstår
Med andre ord er ikke Googles gjennombrudd et resultat som ryster hele kvantedatamaskin-feltet.
Det er nemlig fortsatt mye som må gjøres før Google-forskernes nye resultater kan utnyttes til å bygge bedre kvantedatamaskiner, forteller Kjaergaard:
– Det er et viktig resultat. Men det er i bunn og grunn veldig teknisk. Det viktige er at hvis vi bygger bedre fysiske kvantebits, blir det mye enklere å lage kvantedatamaskiner med færre feil.
Neste skritt bør være å bygge større prosessorer med feilrettingssystemet, forteller Klaus Mølmer:
– Vi er fortsatt på vakuumrør-stadiet, fastslår Mølmer. – Men studien er absolutt et nødvendig skritt for å komme videre. Og det er bra at det kommer nå, for det er noe vi har ventet på lenge.
Akkurat nå finnes det ingen kvantedatamaskiner som kan brukes i praksis. Verdens største teknologi-bedrifter – som Google, IBM og Microsoft – konkurrerer om å være først ute.
Referanse:
Google Quantum AI: Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit. Nature, 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05434-1
© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.
