Hugin og Munin ble stjerner da de i 2021 ble Norges to første kvantedatamaskiner.

De er små, minimalistiske og har rene linjer. De ser ganske annerledes ut enn andre kvantedatamaskiner du kanskje har sett bilder av. 

De to, oppkalt etter Odins ravner, står i Kvantehuben ved Oslomet – storbyuniversitetet. Huben er et møtepunkt for dem som er interessert i kvantedatateknologi. 

Ikke som alle andre kvantedatamaskiner

Den dominerende typen benytter seg av superledende kretser. Innsiden av en maskin fra IBM ligner en steampunk-lysekrone, beskrev Engadget, med gylne rør, plater og ledninger i et komplisert system. 

Kvantedatamaskinene ved OsloMet er bygget opp på en annen måte. 

Nuller og enere

Kvantedatamaskiner bruker fenomener fra den forunderlige kvantefysikken for å gjøre beregninger. 

Alt en vanlig datamaskin gjør, er basert på informasjon i form av 0 eller 1. Denne informasjonsenheten kalles en bit. Dette er representert som strøm av eller på i transistorer i datamaskiner. 

Bilder, tekst og nettsider er bygget opp av strømmer med nuller og enere.

Kvantedatamaskiner opererer også med nuller og enere. 

Men kvanteverdenen fungerer ikke som vi er vant med. Når vi kommer ned på nivå med universets minste bestanddeler, slutter ting å oppføre seg på en intuitiv måte.

De minste partiklene oppfører seg som både bølger og partikler. De kan «teleportere» til andre siden av en barriere. De kan snakke med hverandre umiddelbart over lang avstand, dersom de er sammenfiltret. De kan befinne seg i flere tilstander samtidig og først bestemme seg når noen gjør en måling. 

Disse egenskapene er det mulig å utnytte for å lage en ny type datamaskin. 

Modellere de minste byggeklossene

Det finnes prototyper av kvantedatamaskiner i dag. Men de kan ikke brukes til noe nyttig ennå. 

Håpet er at en stor og stabil nok kvantedatamaskin vil bli mye flinkere enn vanlige datamaskiner til å gjøre noen type beregninger. 

Kvantedatamaskiner vil ikke erstatte datamaskiner, men kan brukes til enkelte oppgaver. 

Et av bruksområdene kan bli å modellere molekyler og kjemiske reaksjoner. Det kan for eksempel bidra til å effektivisere produksjonen av et stoff eller utvikle nye medisiner.

Kvanteberegninger kan også bli nyttige for å løse såkalte optimaliserings-problemer. Det kan handle om å transportere noe mest effektivt til alle destinasjoner. 

Andre mulige bruksområder er å forbedre kunstig intelligens eller innen kryptering. 

Fungerer i romtemperatur 

De to kvantedatamaskinene ved OsloMet har to og tre kvantebits i seg. Det er for lite til å gjøre nyttige beregninger med. 

Maskinene brukes til undervisning og for å gjøre folk kjent med hva en kvantedatamaskin er. Det gjøres også noe forskning på støy i maskinene. 

– Maskinene har den store fordelen at de fungerer i romtemperatur, sier Sølve Selstø, fysiker og professor ved OsloMet. 

Han er faglig leder for kvantehuben. 

Andre typer kvantedatamaskiner må gjerne kjøles ned nærmest til det absolutte nullpunkt. Men det trenger ikke Hugin og Munin. 

– Ulempen er at de ikke lar seg skalere opp til store kvantedatamaskiner.

Teknologien inni er basert på kjernemagnetisk resonans, som også brukes i en MR-maskin. 

Superposisjon gir mange muligheter

Kvantebits kan representere null eller én. Det som gjør kvantebits spesielle, er at de også kan være i en superposisjon, en blanding av null og én.

Hvis du har tre kvantebits, er det åtte muligheter samtidig for hvordan tallrekken blir: 111, 100, 001, 010, 110, 101, 011 og 000.

For hver kvantebit du legger til, øker mulighetene eksponentielt.   

64 kvantebits gir 18.446.744.073.709.551.616 muligheter samtidig. 

– På en vanlig datamaskin har du bare en bitstrøm. Hvis du har en litt lengre bitstrøm, har du litt mer informasjon. Om du legger til én kvantebit i en kvantedatamaskin, dobler du informasjonsmengden, sier Sølve Selstø. 

Spinner opp eller ned

Kvantebitene i Hugin og Munin består av ufattelig små elementærpartikler, protoner i en atomkjerne. 

– Kvantebitene er basert på en kvantefysisk egenskap som heter spinn. Vi kan tenke på det som en ball som står og spinner. Det er ikke det, men det har noe med rotasjon å gjøre, sier Selstø.

Kvantebitene kan spinne den ene eller andre veien. Dette utgjør null eller én i denne maskinen. De kan også være i en superposisjon og dermed både null og én. 

Det blir litt som hvis du kaster en mynt i lufta og ennå ikke vet om den vil lande på kron eller mynt.

– Et kvantesystem kan være i mange tilstander samtidig. En vanlig datamaskin prosesserer informasjon som en streng med nuller og enere, mens i en kvantedatamaskin kan det være alle mulige strenger samtidig. Der ligger det store potensialet, sier Selstø.

Kollapser til et svar

Idet du leser av svaret fra maskinen, kollapser imidlertid alle mulighetene til én. 

– Gjennom en kvanteberegning ligger all informasjonen i minnet, men om du vil vite hva som er i minnet, får du bare en av mulighetene. I kvantefysikk kalles det en kollapset bølgefunksjon, sier Selstø. 

Du mister mye av informasjonen som var der i utgangspunktet. 

– Det kan du kompensere for ved å gjøre beregningen mange ganger. Da kan du få et annet svar neste gang. Deretter kan du lage en statistisk fordeling over de svarene du får.  

Kobles til hverandre

På storskjerm på kvantehuben vises et program der en kan gi instruksjoner til kvantebitene, helt på basisnivå. Det er litt som noter på et noteark. 

Vi kan sette inn en X som forteller kvantebiten at den skal flippe rundt, forklarer Sergiy Denysov ved OsloMet, som forsker på kvantedatamaskiner. 

Etterpå kan vi be den gå i superposisjon med H -Hadamard-porten eller gi andre kommandoer. 

Vi kan også skape en forbindelse mellom partiklene, kalt kvantesammenfiltring. 

Det betyr at når en måling gjøres, vil tilstanden til partiklene ha en sammenheng med hverandre. For eksempel kan de ha en regel om at hvis den ene lander på spinn opp, må den andre være spinn ned. 

Denne forbindelsen vil gjelde selv om de er langt unna hverandre og ikke kommuniserer på noe vis om hva den ene eller andre gjør. 

Selstø forklarer at vi kan se for oss at vi har en rød og en blå ball. De ligger i to esker, og du vet ikke hvem som ligger hvor. Hvis du åpner den ene og ser en rød ball, vet du at den andre er blå. 

Det spesielle med kvanteverdenen er at, til forskjell fra den klassiske, vanlige verdenen, har ikke «kvanteballene» noen farger før vi ser etter. Resultatet kunne like gjerne ha vært motsatt.

Sannsynligheter

Sergiy Denysov peker på slike regler man kan sette inn i programmet. Den ene sier at hvis partikkel a er opp, må de andre flippe.

– Linjen betyr at de snakker med hverandre og at de er koblet sammen. Det er slik du skaper kvantesammenfiltring. De er ikke sammenfiltret fra start, sier Selstø. 

Når instruksjonene kjøres, får vi svar på hvilke tallrekker det er mest sannsynlig å få. 

Man kan ikke se på forhånd hvilket svar kvantebitsene vil gi. Man vet ikke hva slags spinn de inntar etter å ha vært i superposisjon. 

Men det er mulig å regne det ut mulighetene for hånd, da dette systemet er lite og enkelt. 

I eksempelet over ble resultatet oftest 000. 

Svært følsom for forstyrrelser

I Hugin og Munin snakker man til kvantebitsene ved hjelp av magnetfelt. 

– Du kan for eksempel sette på sterke nok magnetfelt og sørge for at alle er i en bestemt tilstand i starten. Så kan du adressere enkeltbits med spesifikke magnetfelt som gjør en eller annen operasjon på den, sier Selstø. 

I testen ble det kjørt en simulering, og ikke ekte operasjoner på kvantebitene. Maskinen var ikke kalibrert. Det illustrerer en stor utfordring med kvantedatamaskiner. 

De blir veldig lett påvirket av miljøet. De kan kollapse tilfeldig underveis i beregningen. 

– Verden på utsiden forstyrrer og fjerner kvanteegenskaper fra systemet. Det er utsatt for feil og er veldig følsomt. 

Dette er den største utfordringen på feltet, sier Selstø. 

Kommer kvantedatamaskinene? 

Kommer kvantedatamaskiner til å få stor betydning om noen år? 

– Jeg tror det, men det er vanskelig å si, sier Selstø. 

– Det kommer an på kvaliteten på prototypene som folk utvikler. 

Prototypene er basert på ulike mekanismer for å skape kvantebiter, som superledende kretser, fotoner eller atomer fanget av lasere i et gitter. 

Selskaper som Google og IBM har store prosjekter på gang, og det er bygget maskiner som har mer enn 1.000 kvantebits. 

Flere kvantebits betyr ikke nødvendigvis at du kan bruke alle. 

– Man skiller mellom fysiske og logiske kvantebits. En fysisk kvantebit som kan brukes, vil være støyfull. Om du har 30 til 40 kvantebits på en prototype, så betyr ikke det at du kan bruke dem fullt ut og forvente at du skal ha full presisjon i det du gjør. Du må forholde deg til støyen. 

Mindre og mindre transistorer 

De siste tiårene har vi opplevd at vanlige datamaskiner og mobiler har fått bedre og bedre kapasitet. 

Moores lov har stemt bra. Den sier at antallet transistorer i en integrert krets dobles rundt hvert andre år. 

Nå har transistorene blitt så små at de bare er noen atomer lange. Skal de bli enda mindre, vil kvanteeffekter begynne å forstyrre, som at elektroner kan reise til andre siden av en barriere. 

Kanskje har dette bidratt til interessen for kvantedatamaskiner, undrer Selstø. 

– Kanskje industrien har sett til kvanteverdenen, fordi den blir nødt til å forholde seg til det likevel, så da kan man likegodt bruke det til noe?

LES OGSÅ

Kvante­datamaskiner får forskere til å drømme om
nye og bedre medisiner

Kvante-gjennombrudd beviser 30 år gammel teori