Hoppa till huvudinnehåll

Kvantdatorn, teknologiskt trolleri på atomnivå

Dubbeltspaltexperimentet, ett experiment inom kvantfysik som visar på våg-partikel-dualitet.
Det berömda dubbelspaltsexperimentet visar hur ljuspartiklar beter sig som både partiklar och en vågrörelse samtidigt. En central princip inom kvantmekaniken. Dubbeltspaltexperimentet, ett experiment inom kvantfysik som visar på våg-partikel-dualitet. kvantfysik,Dubbelspaltsexperimentet

Finland ska bygga sin första egna kvantdator, framtidens superhyperdator som får alla den nuvarande superdatorerna att se ut som brödrostar i jämförelse.

Det är det inhemska uppstartsföretaget IQM tillsammans med forskningscentralen VTT som ska bygga den. Svenska Yles Niklas Fagerström var och lyssnade när projektet presenterades, du kan läsa mer om det här.

Men vad är en kvantdator egentligen, vad gör den och hur skiljer den sig från en vanlig dator? Är den ens så mördande effektiv som de säger, jämfört med en vanlig dator? Och vad betyder “kvant”? Nå, det har ju med kvantmekanik att göra och...

Eller alltså, vi kommer strax till det, men - innan någon börjar sucka och säga att “usch vad krångligt, kvanta mig hit och kvanta mig dit, det där är ingenting för vanliga dödliga hjärnor” - oroa dig inte! Grejen är att ingen egentligen förstår sig på det här. Som en av kvantmekanikens tungviktare, Richard Feynman, sade: “Om du tror att du förstår kvantmekaniken så förstår du inte kvantmekaniken.

Vi vet bara att kvantmekaniken fungerar - hur är en helt annan femma.

Vi vet bara att kvantmekaniken fungerar - hur är en helt annan femma.

Så koppla av och lyft upp fötterna på bordet medan vi reder ut fundamenten i kvantdatorn, den omöjliga maskinen som skulle ha gett självaste Einstein gråa hår. Eller han hade ju redan grått hår, men… nå, ni vet.

Men vi börjar med en liten personlig tillbakablick som kan trösta andra som eventuellt känner sig lite vilsna med vetenskapsjargongen.

Fysik var inte vettigt, det var bara en massa besvärjelser.

Då jag var i tonåren var jag rädd för fysik. I skolan alltså. Fysik och matematik, det var som ett främmande och skrämmande språk som ondskefulla trollkarlar kommunicerade med varandra på. I min fantasi det vill säga.

Jag var bra på språk och historia, biologi och geografi. De där mer vettiga ämnena. Fysik var inte vettigt, det var bara en massa besvärjelser.

En person som använder en miniräknare.
Svart magi på gång? En person som använder en miniräknare. Bild: Tiina Jutila / Yle matematik,skolor,gymnasiet,gymnasister,grundskolans högstadium,läxor,studier,Koululainen,studerande,Miniräknare,Funktionsräknare,utbildning,universitet,naturvetenskaper,fysik

Jo, jag vet, fysik är ju helt otroligt vettigt och praktiskt, framför allt. Allt vi gör bygger ju på grundläggande fysik. Då jag kastar en boll åt min hund eller tar hissen till sjunde våningen eller halkar på ett bananskal, allt det där är ju fysik.

Men ser ni, har man stigit upp på fel fot och fått för sig att man inte gillar någonting, då vill man inte ens försöka förstå det. Särskilt om läraren inte är av den mest tålmodiga sorten. Då utlyser ens hjärna revolt och sittstrejk, hög som den är på tonårshormoner.

Nå, vi snabbspolar över hela den där processen där jag växte upp och lugnade ned mig en aning och kom till att jag kanske hade närmat mig det hela från helt fel håll. Det tog några år. Och sedan harmade det! På riktigt, för jag insåg vilka spännande grejer jag hade gått miste om!

Så jag började läsa in mig en aning på egen hand.

Än i denna dag minns jag tydligt var jag var när jag hade min första stora insikt om fysiken. Jag var på stugan, jag gick ned längs sluttningen till stranden med en bok i handen som jag läste medan jag gick. Inte alltid så smart på en liten holme med branta sluttningar och knaggliga trädrötter överallt.

Boken i fråga var Fysikens tao av Fritjof Capra. Kapitlet jag läste just då handlade om den nya fysiken som hade vuxit fram i början av 1900-talet och ruskat om en värld som fortfarande hämtade sig efter att Einstein hade ställt allting på ända med sin speciella relativitetsteori.

Fysikens premier league

Nå, long story short, som de säger, min stora aha-upplevelse kom just då jag passerade bastun på väg ned till stranden. Och det har just med kvantbegreppet att göra.

Jag tittade in genom fönstret, och där, bakom min spegelbild, skymtade jag bastu-ugnen, som just då var kall. Hur många kvällar hade jag suttit där och tittat på lågorna och de rött glödande resterna av utbrunna vedklabbar bakom luckans glasfönster?

Och aldrig hade jag ens en enda gång tänkt på det som Fritjof Capra skrev om just i det här kapitlet! Om vad det är som får saker att lysa eller glöda när de brinner. Det handlar uttryckligen om kvantmekanik, fysikens premier league.

Tro det eller inte, men det var just för sånt här som kvantmekaniken utvecklades ursprungligen! Inte för att ge oss supereffektiva kvantdatorer nån gång i framtiden, utan för att förklara varför riktigt heta saker glöder med ett rött sken!

Eld i en eldstad
Mycket kvanthoppande på gång bakom luckan där. Eld i en eldstad Bild: Yle eldstad

Okej, vi tar det i ett nötskal! Du tillför energi till en atom. Eller flera i det här fallet. Säg nu atomerna i en vedklabb. Du tänder eld på veden, kort sagt. När du gör det så exciterar du atomerna.

Vi kollar in en enskild atom för att få en klarare bild. Hettan från tändstickan får atomen att absorbera energi i form av en foton, en ljuspartikel. Du kan också kalla den här fotonen för ett energikvantum.

Kvantum kommer från latinets ord som betyder “hur mycket”. En diskret enhet av någonting. I det här fallet den minsta möjliga enskilda mängden av energi som kan överföras av elektromagnetisk strålning. Från tändstickan till veden i det här exemplet.

Nå, vad händer då alltså, när atomen i veden exciteras, när den tar emot ett energikvantum? För att svara på det måste vi kolla vad en atom består av. En väteatom, den enklaste av alla atomer, består av en kärna med en proton och ett skal bestående av en elektron som surrar runt den som en supersnabb fluga.

Det är det här som kallas ett kvanthopp

När atomen exciteras, då är det elektronen som absorberar energikvantumet, alltså fotonen. Vad elektronen gör då är att den hoppar från sitt ursprungliga skal till ett skal med en högre energinivå. Det är det här som kallas ett kvanthopp (och nu vet du varifrån Svenska Yles Kvanthopp fick sitt namn).
Schema av en atom som genomgår ett kvanthopp.
Så går ett kvanthopp till. Elektronen tar emot energi i form av en foton och hoppar till en högre energinivå. Kort därefter förlorar den energin och avger en foton. Det ger upphov till ljus. Schema av en atom som genomgår ett kvanthopp. Bild: Mikko Lehtola atom,kvantmekanik

Men exciterade atomer är för det mesta mycket instabila, så efter en bråkdels sekund hoppar elektronen tillbaka till sin ursprungliga energinivå, till sitt ursprungliga skal. Och när den gör det avger den ett energikvantum, med andra ord, en foton. En ljuspartikel.

Och det var insikten om det här som var min aha-upplevelse och mitt första babysteg in i fysikens mystiska och fascinerande domäner.

Den röda glöden i bastukaminen kommer från triljarder exciterade elektroner som hoppar från en högre energinivå till en lägre, och skjuter iväg en ljuspartikel i processen. Med andra ord: elektronerna i veden producerar elektromagnetisk strålning, alltså ljusstrålar.

Det här förstod jag då och där, den där sensommardagen i slutet av 80-talet, medan jag vandrade ned längs sluttningen till stranden på vår sommarholme.

åtminstone hade jag fattat en liten bit, ett kvantum av kunskap om hur vår värld fungerar på sin allra mest grundläggande nivå.

Och inte kan jag säga att jag skulle ha blivit någon fysikguru sedan dess, men åtminstone hade jag fattat en liten bit, ett kvantum av kunskap om hur vår värld fungerar på sin allra mest grundläggande nivå. Och det kändes bra!

För det fick mig också att inse att den här principen styr allting i livet. Livet är inte en jämn ström, en smet av händelser, det består av små enskilda skeenden, kvanta, som vi uppfattar som en jämn ström eller en smet. Man behöver inte fatta allt på en gång, man kan ta ett litet kvantum i taget och sedan pussla ihop det till en sammanhängande bild. Och kalla den “mitt liv”.

Marcus Rosenlund på en brygga i skärgården.
Skribenten på samma holme, fler år senare. Marcus Rosenlund på en brygga i skärgården. Bild: Marcus Rosenlund brygga

Eller en kvantdator.

Just det, en kvantdator, datateknikens heliga graal, som vi nu hoppar brutalt till från min lata åttiotalssommar.

För det är också hur universum fungerar. Ena stunden är det si, den nästa är det så, och vi är inte alltid helt på det klara med vad som hände däremellan. På samma sätt som elektronen gör sitt kvanthopp mellan de två skalen utan att ens passera den mellanliggande rymden. Det är som att köra båten ut till holmen utan att passera det mellanliggande vattnet.

När vi nu halkade in på skärijämförelser: tittar du närmare på vattnet så kan du se att det både kan beskrivas både som enskilda partiklar, och en vågrörelse. Precis som elektromagnetisk strålning. En foton är både en partikel och en vågrörelse.

Vi kan ju låtsas att min båt som jag kör ut till holmen med är en foton. En liten kvantbåt. Inte nog med att den kan hoppa från hamnen till holmen utan att passera det mellanliggande vattnet, den kan också göra saker som att passera på bägge sidor av en kobbe - samtidigt.

Det finns ett berömt experiment som kallas dubbelspaltsexperimentet, som illustrerar den här besynnerliga egenskapen som en ljuspartikel har. En och samma ljuspartikel kan passera genom två olika springor i ett bräde på samma gång.

Ännu ett annat berömt exempel är det med Schrödingers katt i sin låda som är försedd med en giftampull som utlöses med exakt 50 procents sannolikhet. Katten i lådan är både död och levande innan någon öppnar locket och tar sig en titt. Det här tvingar kvantkatten att bestämma sig, och plötsligt är den antingen död eller levande.

Shcrödingers katt enligt karikatyrist.
Wanted dead and alive: Schrödingers katt. Shcrödingers katt enligt karikatyrist. Schrödingers katt,kvantmekanik

Det här tillståndet, med Schrödingers katt som är både död och levande, eller min kvantbåt som passerar Lövö på både östra och västra sidan samtidigt, och partiklar som är både här och där på en och samma gång, kallas superposition.

Och det är den här bisarra effekten som kvantdatorer utnyttjar för att fungera.

Miljarder beräkningar samtidigt

Grundenheten för information i en vanlig dator kallas bit, som kan anta värdena ett eller noll. Det är binärt. Alltså antingen är det eller så är det inte.

Kvantdatorer kör i sin tur med kvantbitar eller qubitar, där dataenheten kan anta värdet ett eller noll, eller båda två på en och samma gång, alltså det här som vi kallar superposition. Man talar om det hela som att ett fysikaliskt system, till exempel en elektron, har ett visst kvanttillstånd.

Elektroner, de har förutom sin energi, också en sorts kvanttillstånd som kallas spinn. Om en elektrons spinn i en riktning står för 1 och spinn i motsatt riktning står för 0 så kan man, under vissa omständigheter, få en elektron att spinna åt båda hållen samtidigt. Återigen, superposition.

Det här gör att en dator som använder sig av det här fenomenet, alltså en kvantdator, kan utföra ett stort antal beräkningar samtidigt. I stället för bara 1+1 räknar kvantdatorn samtidigt ut 0+0, 0+1, 1+0 och 1+1. Det är som om processorn skulle dela på sig själv under en bråkdels sekund.

Och ju fler elektroner vi använder som räknekulor, desto fler tillstånd: med 30 elektroner är vi i teorin uppe i mer än en miljard olika kvanttillstånd, som alla kan existera samtidigt.

Killen som på 80-talet först förstod att kvantmekanikens konstigheter kunde utnyttjas till att göra kalkyler, var den israelfödde Oxfordmatematikern David Deutsch. Han insåg att en vanlig dator, hur snabb den må vara, bara kan göra en beräkning i taget. Kvantdatorn kan som sagt i princip göra miljarder beräkningar samtidigt!

Och den här förmågan hos en qubit, att vara både ett och noll samtidigt, den gör att en kvantdator i princip blir mördande effektiv på vissa sorters beräkningar, som att faktorisera primtal. Detta eftersom den kan jobba med en ohygglig mängd olika tal på en och samma gång.

Instabila och känsliga qubitar

Men problemet är att de här kvanttillstånden är väldigt känsliga av sig. Snacka om prinsessan på ärten. Kvantprocessorerna måste kylas ned till extremt låga temperaturer för att de ska fungera, och minsta lilla stötar eller förändringar i temperaturen får dem att komma av sig.

Det här gör att qubitarna blir instabila och det avlästa värdet blir fel och måste korrigeras. Detta är en viktig anledning till varför antalet qubitar inte enkelt kan utökas, eftersom varje fel multipliceras för varje qubit. Det här gör att vi bara kan komma upp i de femtiotal qubitar dagens bästa kvantdatorer har.

Processorn i en kvantdator.
Hjärtat i en kvantdator. Processorn i en kvantdator. Bild: National Institute of Standards and Technology mikroprocessorer,Kvantdator

Och det är i ärlighetens namn inte mycket mer än en handfull fungerande kvantdatorer vi har i världen. Vissa hävdar till och med att vi inte ens ännu har sett en genuin, fungerande kvantdator trots att företag som DWave har tillverkat och sålt sådana i mer än tio år. Andra stora aktörer i branschen är Google och IBM, bland andra.

Men om sisådär fem år så kanske vi har en helt egen, fungerande Kvantdator här i Finland. De har nog alla förutsättningar att bygga den ute i Otnäs i Esbo. Det råkar ju sig att det just där finns världsklassens kunnande i kryoteknik. Riktigt kalla temperaturer är till nytta i det här sammanhanget, för kvantdatorer trivs bäst i temperaturer som närmar sig den absoluta nollpunkten (–273,15 °C). Ju kallare, desto mindre störande värmebrus som kan få de känsliga qubitarna att kollapsa.

Billigt blir det inte att bygga datorn, men staten är med i projektet med 20,7 miljoner euro. IQM har dessutom samlat in 71 miljoner i finansiering.

Sedan återstår ju att se exakt vad kvantdatorn ska användas till, det finns det ingen klar bild av i det här skedet. Men å andra sidan, inte visste man heller vart utvecklingen skulle komma att leda då transistorn uppfanns på 1940-talet. Det var knappast någon då som kunde föreställa sig den datorrevolution som var på kommande.

Materialforskning, medicin och trafik

Men gissar man på att kvantdatorn kommer att användas till materialforskning, molekylärmedicinsk forskning eller optimering av stadens trafikflöde så är man knappast värst mycket ute och cyklar. Artificiell intelligens får sig sannolikt också en spruta i armen.

Kvantdatorn ger också sannolikt ett särdeles vasst nytt redskap för att bena ut de komplexa klimathelheterna med sina särdeles många rörliga delar. Något som vi behöver få en bättre bild av för att tackla problemen med uppvärmningen. Kvantdatorn med sin massiva kapacitet att tackla hårresande komplexa kalkyler borde vara som på mammas gata här.

Däremot så trodde inte experterna som var på plats på presskonferensen i måndags att kvantdatorn kommer att uppfylla domedagskorparnas farhågor. Det sägs ju att kvantdatorns teoretiska förmåga att krossa våra bästa kodnycklar som knäckebröd, kommer att leda till att vi snart inte har några hemligheter längre. Inklusive stormakternas kärnvapenkoder.

Men det tror inte experterna att blir något större problem på minst ett årtionde eller så. Kvantdatorn lär sig fortfarande att krypa. Innan den är uppe på fötterna och ränner runt och knäcker koder hinner säkerhetsfolket utveckla åtskilliga kvantdatorsäkra digitala kassavalv.
Och är man trots allt orolig så är ju det enda som krävs för att kollra bort den mest kapabla kvantdatorn, ett vanligt ruthäfte och en blyertspenna.

Läs också

Nyligen publicerat - Vetenskap