Lysere for kvantedatamaskinen

Kvantedatamaskiner har lenge befunnet seg på amøbestadiet, men nå tar de et skritt oppover evolusjonsstigen. Bedre styring av lys er det nye trikset.

Published
(Illustrasjon: MIT)
(Illustrasjon: MIT)

Kraftige kvantedatamaskiner som kan løse noen av verdens største matematiske problemstillinger i en fei ved å sjonglere med lys og atomer, har lenge romstert rundt i forskernes fantasi.

Nå har teoretiske fysikere med DTU Fotonik i Danmark gjort en oppdagelse som er et viktig skritt på veien til å gjøre kvantedatamaskiner i stor skala til virkelighet.

En kvantedatamaskin bruker atomer som datalager og kvanter av lys, såkalte fotoner, til å flytte opplysninger frem og tilbake.

Jo flere lysstråler den kan håndtere, jo kraftigere blir den.

Forskerne fra DTU Fotonik har nå gjort en oppdagelse som gjør det mulig å utvikle en kvantedatamaskin som kan styre et stort antall lysstråler og dermed løfte regnekapasiteten kraftig.

Trikset er å sende lyset gjennom et uordnet medium som består av små enheter som ligger hulter til bulter og sprer innkommende lysstråler i alle retninger.

Et slikt medium kan i prinsippet være alt mulig, men en måte å visualisere det på er å tenke på en haug knust glass eller et akvarium fylt med glasskuler.

– Vi har vist at man med et så uordnet medium kan styre så mange lysstråler som man vil. Det åpner for kvantecomputere av langt større kapasitet.

Det sier doktorgradsstudent Johan Raunkjær Ott fra DTU Fotonik, som har gjennomført studien sammen med de Niels Asger Mortensen og Peter Lodahl.

Kvantemekanikk hersker i atomenes verden

Kvantedatamaskiner fungerer i atomenes mikroskopiske verden, hvor den klassiske fysikken bryter sammen og kvantemekanikken har makten.

Her gjelder lover som utfordrer vår logiske sans, men som atomer og elementærpartikler med største selvfølge adlyder.

Kvantemekanikken beskriver lys som små energipakker som suser av sted i forskjellige retninger, og som under sammenstøt med for eksempel et atom kan avlevere en porsjon energi i form av et kvant.

Det er nettopp den egenskapen en kvantedatamaskin utnytter, fordi den kan bruke fotoner til å overføre data med.

Ståheien omkring kvantedatamaskiner skyldes at de kan oppnå en mye større regnekapasitet enn en vanlig datamaskin. Mens dagens datamaskiner bare kan utføre én beregning om gangen, kan en kvantedatamaskin i prinsippet gjennomføre milliarder av beregninger samtidig.

Antallet lysstråler avgjør

I de datamaskinene vi bruker i hverdagen, lagres opplysninger som bits som kan anta én av de to verdiene 0 eller 1. I en kvantedatamaskin snakker man om quantum bits, forkortet qubit.

En qubit vil også ha to mulige verdier som kan kalles 0 og 1, men hvor bits nødvendigvis må ha den ene eller den annen verdien, kan qubits dessuten være i en blanding av de to tilstandene og dermed anta alle verdier imellom.

Jo flere lysstråler kvantedatamaskinen er i stand til å styre, jo flere qubits kan den håndtere.

De kvantedatamaskinene man hittil har klart å lage, kan håndtere to lysstråler, noe som er latterlige lite, og den store utfordringen har derfor vært å finne en måte å øke antallet lysstråler, slik at kvantedatamaskinen får en regnekapasitet som i praksis kan brukes til noe.

Spredning temmer lys

(Illustrasjon: DTU)
(Illustrasjon: DTU)

Det var nettopp det de tre forskerne klarte gjennom en teoretisk studie hvor de undersøkte hvilke kvantemekaniske fenomener som oppstår når man har sendt en bunt kvantiserte lysstråler inn gjennom et uordnet medium.

Umiddelbart skulle man tro at jo mer uordnet noe var, jo mer tilfeldig ville det som kommer ut på den andre siden være.

– Men det viste seg å være omvendt. Det at lyset blir spredt mange ganger, betyr altså at det blir mer forutsigbart hvilke utgangsretninger lyset vil ta, sier Johan Raunkjær Ott.

Forklaringen er at lyspartiklene, når de passerer gjennom det uordnede mediet, blander seg med hverandre, skaper et interferensmønster, og på den måten blir koblet til hverandre. Vet man hvor den ene lysstrålen er, forteller det om hvor man, med stor sannsynlighet, kan finne den andre.

Ødelagt teknologi virker bedre

Et uordnet medium kan altså brukes til å styre lys med i en kvantedatamaskin, men å bruke et akvarium til å gjøre det er nok ikke den beste løsningen.

Forskerne foreslår i stedet at man tar utgangspunkt i de teknologiene som de eksisterende kvantedatamaskinene allerede bruker til å guide lys med, nemlig det man kaller fotoniske krystaller.

En fotonisk krystall er en plate med en masse hull som sitter i et periodisk mønster. Hullene sprer lys, bare ikke på den riktige måten. Men man kan oppnå den ønskede effekten ved å flytte litt på hullene, slik at den innbyrdes plasseringen blir mer tilfeldig, forteller han.

– Et så lite inngrep vil antagelig være nok til at man kan håndtere mange lysstråler på samme tid og på den måten gjøre kvantedatamaskinen langt raskere enn i dag.

Færre sammenfiltrede tilstander

Forskerne har også et annet forslag til hvordan man kan øke kvantedatamaskiners regnekapasitet.

Det tar utgangspunkt i et av de mest kompliserte og også mest underlige fenomener man kjenner i naturens fysikk. Fenomenet kalles for «entanglement» og går ut på at flere partikler kan være filtret inn i hverandre og dermed kjenner hverandres gjøren og laden.

To slike partikler kan altså ikke foreta seg noe uten at den andre aper etter og gjør nøyaktig det samme.

Raskere

Det kvantemekaniske fenomenet har man lenge forsøkt å utnytte i kvantedatamaskiner. En kvantedatamaskin som styres ut atomer som er «entangled» kan nemlig utføre beregningsmessige oppgaver langt raskere enn de største datamaskinene i dag.

Mange av de algoritmene som finnes i en kvantedatamaskin, involverer sammenfiltrede tilstander, men hvis de skal virke skikkelig, krever det at man kan sammenfiltre tusenvis av atomer.

– Vi har vist at man ikke trenger å ha et sett sammenfiltrede tilstander for hvert dataprogram. Man kunne klare seg med ett sett kvantetilstander og så koble det sammen med et uordnet medium.

– Det kan nemlig endre hvilke to retninger som er sammenfiltret. Med et slikt medium kan man bruke det samme settet av kvantetilstander til å løse forskjellige oppgaver og slipper derfor å skape et svært stort antall sammenfiltrede kvantetilstander, sier Johan Raunkjær Ott.

___________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygård for forskning.no

Referanse og lenker

Ph.d.-student Johan Raunkjær Otts profil

Om DTU Fotonik