Ny og enklere vei til kvantedatamaskinen

Et nytt steg er tatt på veien mot kvantedatamaskinen, som lynraskt skal løse de vanskelige regnestykkene og håndtere de store tallene.

Published
Slik kan man forestille seg at kvantesystemet ser ut. De røde berylliumatomene er filtret sammen, mens de grønne magnesiumatomene frigir varme til omgivelsene. (Foto: (Tegning: Bertram/Motion Forge/NIST))
Slik kan man forestille seg at kvantesystemet ser ut. De røde berylliumatomene er filtret sammen, mens de grønne magnesiumatomene frigir varme til omgivelsene. (Foto: (Tegning: Bertram/Motion Forge/NIST))

Kvantebits kan ha to verdier samtidig

I en datamaskin representeres informasjon av en rekke av null- og ett-tall. I en klassisk datamaskin oppbevares data som bits som kan ha en av to mulige verdier, som man pleier å referere til som 0 eller 1.

I kvantefysikkens forunderlige verden oppfører objekter seg imidlertid ikke som man er vant til.

I en kvantedatamaskin snakker man om kvantebits, og de kan også ha de to verdiene man kaller 0 og 1. Men kvantebits kan dessuten være i en tilstand hvor den på sitt vis har begge verdier på en gang. Dessuten kan to eller flere kvantebits knyttes sammen, slik at de deler kvanteegenskaper. Det kalles entanglement eller sammenfiltring.

I en vanlig datamaskin kan to bits representere en av fire forskjellige verdier: 00, 01, 10 eller 11. Men to kvantebits kan representere alle fire verdiene samtidig, og i en kvantedatamaskin kan man utføre en beregning på alle fire verdier på en gang.

Visse former for beregninger foregår da mye raskere, for eksempel å finne ut hvilke to primtall som, ganget sammen, gir et gitt tall, eller finne fram til en bestemt post i en stor database.

Framtidens superdatamaskin regner med kvantebits. Det vil gi superkraft til behandling av store datamengder og kompliserte utregninger.

Forskere har i mange år forsøkt å utvikle supermaskinene, men kvantebits er svært  ømfintlige og brytes lett ned.

Nå har danske forskere funnet fram til en enklere metode for å skape de særegne kvantetilstandene man trenger.

Kvantedatamaskiner regner med kvantebits i stedet for vanlige bits, og det gjelder å få flere kvantebits til å arbeide sammen. Derfor de må bringes i en tilstand som de har til felles. Det kalles entanglement, som best kan oversettes til sammenfiltring.

– Første skritt mot en kvantedatamaskin er entanglement. Uten det kommer vi ikke i gang, forteller Anders Søndberg Sørensen, som er professor i kvanteoptikk på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Sammen med stipendiat Florentin Reiter regnet han seg frem til en måte som gjør det lettere å oppnå sammenfiltringen.

Deretter fikk de fysikere fra National Institute of Standards and Technology i USA til å sjekke at metoden faktisk virker. Og det gjør den.

Metoden beskrives i en artikkel i siste nummer av tidsskriftet Nature.

Atomene ble fanget i en såkalt ion-felle på denne printplaten – et sted i den smale sprekken til venstre. (Foto: NIST)
Atomene ble fanget i en såkalt ion-felle på denne printplaten – et sted i den smale sprekken til venstre. (Foto: NIST)

Kvantesystemer er ømfintlige

Kvantesystemer, hvor flere kvantebits er sammenfiltret, er vanskelige å ha med å gjøre. De er ømfintlige og brytes ned ved den minste forstyrrelse.

Hittil har fysikerne isolert systemene så godt de har kunnet. Men de danske fysikerne er gått en helt annen vei.

De har snudd problemet på hodet og spør seg om forstyrrelser av kvantesystemet kan være en fordel.

Forstyrrer med vilje

I det amerikanske eksperimentet, som er basert på den danske teorien, styrer fysikerne måten kvantesystemet – i form av to berylliumatomer – vekselvirker med omgivelsene. På den måten blir det mulig å bringe kvantesystemet i den helt rette, sammenfiltrede tilstanden.

– Atomene må snakke med hverandre, men de må ikkesnakke med omgivelsene - det ødelegger alt. Det har vært tankegangen tidligere, forteller Anders Sørensen.

– Men vi har vist at man faktisk kan utnytte forstyrrelsen. Hvis vi har full kontroll over måten atomene vekselvirker med omgivelsene, kan vi klare å lage en kvantedatamaskin.

To atomer filtres sammen

Det er en del å holde orden på i laboratoriet på forskningssentrert NIST i USA. (Foto: NIST)
Det er en del å holde orden på i laboratoriet på forskningssentrert NIST i USA. (Foto: NIST)

Eksperimentets kvantesystem består av to berylliumatomer med elektrisk ladning. De er kjølt ned mot det absolutte nullpunktet, -273,15 grader celsius. Her ligger atomene så stille at de kan arbeide sammen.

Systemet rommer også to magnesiumatomer som fungerer som en form for kjøleelementer. Men det er berylliumatomene som er stjernene. De bringes inn i en felles, sammenfiltret kvantetilstand, slik at de i prinsippet kan brukes i en kvantedatamaskin.

Dette skjer ved hjelp av laserpulser. I løpet av fire–fem mikrosekunder står forskerne tilbake med kvantebits som er perfekt sammenfiltret.

Fysikerne må vente

– Til sammen kan atomene – to kvantebits – være i fire forskjellige tilstander. Bare en av dem er sammenfiltret, de tre andre er vi ikke interessert i, sier Anders Sørensen.

– Vi har funnet fram til noen helt bestemte laserpulser som gjør at atomene, hvis de er i feil tilstand, blir kastet oppover. Så er det bare å vente til de er på plass.

Dette er en smartere metode enn den  fysikerne tidligere har brukt, der de også bruker lasere for å få atomene til å komme i den helt riktige tilstanden, men der de påvirker atomene med nøye avmålte laserpulser, for deretter  stoppe på akkurat riktig tidspunkt. Til slutt må de forhindre at kvantesystemet blir brutt ned av forstyrrelser fra omverdenen.

Flere kvantebits er veien fram

Kvantedatamaskiner med to bits er imidlertid ikke til mye nytte. Med den tradisjonelle metoden har fysikerne kommet opp på 14 kvantebits, men det er fortsatt langt igjen til noe som kan være nyttig. Da kreves det hundrevis eller tusenvis.

Spørsmålet er om forskerne på Niels Bohr Institutet har funnet en snarvei.

– Vi arbeider med å bruke metoden til systemer med flere kvantebits. Nå har vi prøvd ideen i laboratoriet, og det fungerer fint med to atomer. Så får vi se hvor langt vi kan komme. Dette er en ny vei å gå, men vi vet fortsatt ikke om det vil fungere bedre. Vi blir nødt til å gå litt lenger for å undersøke det, forteller Sørensen.

– I prinsippet ville det være mulig å lage en kvantedatamaskin utelukkende basert på ideene våre. Vi vet at det er mulig, men vi vet ikke om det er den beste måten. Men det er ikke nødvendigvis enten-eller, for kvantesystemer basert på våre metoder kan også inngå som deler i en større kvantedatamaskin.

Forstyrrende støy kan man aldri unngå, så under alle omstendigheter må en kvantedatamaskin bruke et system å rette feil.

Maskinen trenger hele tiden adgang til nye sammenfiltrede tilstander, og det blir kanskje lettere med den nye metoden.

Referanse:

Y. Lin, J. P. Gaebler, F. Reiter, T. R. Tan, R. Bowler, A. S. Sørensen, D. Leibfried & D. J. Wineland: Dissipative production of a maximally entangled steady state of two quantum bits, Nature (2013), DOI:10.1038/nature12801. Sammendrag

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.