En kvantumdatamaskin med én chip erstatter verdens største datamaskin med 3.1 millioner prosessorkjerner

En ny generasjon datamaskiner, basert på kvantefysikk, er i ferd med å bli realisert i ulike forskningsmiljø. Dette regnes som en helt ny revolusjon for informasjonsbehandling og som åpner for helt nye muligheter for tung databehandling som ikke har vært mulig tidligere.

Tradisjonelle datamaskiner øker ytelsen ved å øke antall prosessorkjerner slik at de kan utføre parallell prosessering. Verdens største datamaskin er kinesisk^[1]. Den henter Tianhe-2 og har en ytelse på opp til 54,0 petaflops per sekund. Det er dobbelt så rask som verdens nest raskeste maskin, Titan i USA. En vanlig PC takler fire til ti flops per sekund. Tianhe-2 har 3.1 millioner prosessorkjerner fordelt på 80 000 prosessorer av type Intel Xeon og Zeon Phi.

Dersom tradisjonelle, klassiske datamaskiner skal doble kapasiteten, må antall prosessorer dobles. Det blir en svært kostbar investering.

Kvantumdatamaskiner fungerer på en helt annen måte. De har bare èn prosessor, som alene kan utføre et uhyggelig antall prosesser samtidig.

Superposisjon

Den bruker ikke bits som kan være 0 eller 1. Kvantumdatamaskiner bruker qubits, eller Quantum bits. De har ikke verden enten 0 eller 1 som vanlige klassiske datamaskiner, men kan ha begge verdiene samtidig! Den kan også ha alle mulige verdier mellom 0 og 1.

Vi kan vise dette med en mynt. Den har verdien krone på den ene siden og mynt på den andre. Når vi kaster den og lander, kan vi lese av verdien, enten mynt eller krone. Men så lenge den er i lufta etter at vi har kastet den opp, har den både verdien mynt og krone. Den har jo med seg begge sider av mynten sålenge den roterer i lufta. Det er først etter at den har landet at vi kan lese av om den er mynt eller krone.

Dette er et bilde av hva som skjer med et qubits. Så lenge mynten er i lufta før den blir avlest, svarer den til en qubit som er i superposisjon. Den inntar både 0 og 1, som tilsvarer mynt og krone på mynten. I tillegg vil vinkelen mynten har til enhver tid mot bakkeplanet gi informasjon om den. Når mynten har landet, kan vi lese av verdien mynt eller krone. Da har de superposisjonene den hadde mens den var i lufta, kollapset til en av to mulige verdier 0 eller 1, mynt eller krone. Avlesning er destruktiv av myntens superposisjon mens den var i lufta.

En qubit kan illustreres matematisk med en vektor. Den har alltid lengden 1, men kan peke i ulike retninger mot sirkelperiferien i enhetssirkelen. Når den peker opp, definerer vi det som at den har verdien 1. Peker den til høyre, definerer vi det som at den har verdien 0.

Men vektoren kan også ha andre posisjoner på enhetssirkelen, slik som figuren her viser. Da har den en komponent både i y-retning, som viser 1-verdien, og en komponent mot x-aksen, som viser 0-veriden. Slik har qubit-vektoren både en 1-verdi og en 0-verdi, altså begge verdiene samtidig. Egentlig har vektoren komponenter i de to retningene. Når vektoren beveger seg langs sirkelperiferien, sier vi at den er i en superposisjon. X-verdien og y-verdien angir sannsynligheten for at den kollapser med verdien 0 eller 1 når den blir avlest.

Men dette er bare første kvadrant av enhetssirkelen. Vi kan også tenke oss av vektoren fortsetter å bevege seg langs sirkelperiferien i de andre kvadrantene. Da kan vi få andre verdier for komponentene i tillegg av hva vi får i første kvadrant. Slik vil en qubit i en superposisjon innta mange ulike verdier, og ikke bar én. Qubits kan derfor betraktes som et komplekst vektor, som består av en x-verdi og en y-verdi, og som også kan innta negative verdier. Lengden av qubitvektoren er fortsatt alltid lik 1.

Tilstanden av en qubit kan vises som Diracs vektornotasjon enten som | 0 > eller | 1 >, som svarer til x- og y-verdiene i vektorene [1 0] eller [0 1], som vist i figuren til venstre. Dette er avleste verdier fra qubit-en. Avlesningen fører til at qubiten kollapser til enten verdien 0 eller 1 med sannsynligheter som vektorkomponentene viser.

Men før avlesningen kan qubiten være i superposisjoner på hvilket som helst punkt på hele enhetssirkelen.

Det er mulig å påvirke qubiten med en gate-funksjon som endrer tilstanden til den. Det gjøres med interferens av mikrobølgepulser. Det svarer til de operasjoner vi gjør med bits i vanlige datamaskiner der vi kan foreta operasjoner med flere bits ved hjelp av and- , or- eller not-porter (gates) Tilsvarende kan man gjøre tilsvarende operasjoner med qubits ved å utføre ulike gate-funksjoner. Da endres verdien på qubiten til nye resultater som vi er interessert i, siden utfallet er en sannsynlighetsfordeling for ulike utfall. Men dersom vi gjør dette flere ganger med de samme gate-funksjonene, vil vi få ulike resultat. Vi utfører da operasjonen 100 ganger og ser hvilken fordeling resultatet har på de fire mulige tilstandene qubiten ender opp med når vi til slutt leser av verdien på qubiten. Da kollapser den til verdien 0 eller 1.

Dersom vi har to qubits, har de 4 grunntilstander som vist her. Dersom vi behandler dette med en quantum gate, endres tilstanden til qubiten til en ny superposisjon med en sannsynlighetsfordeling på 50% for 0 og 50% sannsynlighet for å få 1 dersom vi leser av verdien av qubiten. Dette er resultater vi kjenner fra kvantefysikken der man er interessert i sannsynlighet for tilstander og posisjoner for partikler. Utregningene i kvantemaskiner gjentas flere ganger (f.eks. 100 ganger) slik at vi får resultater som gir en sannsynlighetsfordeling over utfallene. Slik som kvantefysikken opererer med sannsynlighetsfordelinger, vil også en kvantemaskin gjøre det. Det vil derfor være andre oppgave en kvantemaskin kan brukes til enn vanlige klassiske maskiner basert på binære bits.

Men med to qubits kan begge qubitsene innta superposisjoner mellom 0 og 1. Dette tilsvarer verdier på en hel kuleflate i romdimensjonen i stedet for en sirkelflate på et flateplan. Det betyr også at hver qubit kan innta verdier uavhengige av hverandre.

Siden qubitsen kan innta verdien 0 og 1 samtidig – som man oppnår ved terperatur ved det absolutte nullpunktet i superledere, – kan man på den måten oppnå parallellprosessering i hver qubit. Legger man til flere qubits, vil parallellprosesseringsevne øke med det dobbelte. To qubits vil da kunne prosessere 4 prosesser samtidig. Dimensjonsutfallet vil dobles for hver qubit som legges til. Antall parallelle prosesser som utføres blir 2ⁿ der n er antall qubits maskinen har.

Kjernen i en standardmaskin med to bits kan bare vise en verdi av fire mulige kombinasjoner i gangen. En kvantumsmaskin med to bit vil behandle fire prosesser samtidig.

Dersom man skal øke parallellprosesseringsevne i dagens ordinære superdatamaskiner, vil hele maskinparken måtte dobles, noe som fører til store investeringer. I en kvantemaskin vil prosesseringsevnen dobles med kun å øke antall qubits i den samme ene prosessoren med en enkel qubits! Man regner at en kvantumdatamaskin med en enkelt prosessor med 50 qubits vil gi samme ytelse som dagens superdatamaskin i Kina, Sunway TaihuLight. Den har en ytelse på 93 teraflops, har 10,5 millioner prosessorkjerner fordelt på 40.960 noder. Den utfører 93 000 billioner kalkulasjoner per sekund og kostet 273 millioner dollars.

Entangelment

Et annet merkelig fenomen i kvantefysikken er entangelment.^[2]

Det viser seg at to eller flere partikler kan opptre korrelert. Elektroner kan rotere – ha spinn – i en retning om en akse som peker i en bestemt retning, for eksempel oppover. Et annet elektron som danner et korrelert par med det første, kan ha spinn nedover. Når spinnretningen i det elektronet skifter fra oppover til nedover, vil det andre automatisk endre retning som det motsatte av det første. Det merkelige er at dette skjer også når elektronparet er separert fra hverandre over svært store avstander. Om det ene elektronet er i Amerika og det andre i Asia, vil elektronparet endre seg kontant som det motsatte av hverandre. Det virker som at rommet ikke har betydning i dette fenomenet. Fysikerne kaller dette entangelmentkorrelasjon mellom to partikler for wormhull. Det forskes intens på dette for tiden, for det er fortsatt mye i denne delen av kvantefysikken som ikke er forstått. Slike elektronpar kan dannes samtidig fra energi (E=mc²) der to elektroner dannes med motsatt spinn slik at de i sum opphever hverandre.

Dette kan brukes i kvantummaskiner. I superledere som er avkjølt ned til det absolutte nullpunkt for å hindre termisk støy, kan elektroner bevege seg i begge retninger samtidig i superledere. Qubits kan da bli entangulært med hverandre ved hjelp av mikrobølgepulser med gitt energi og frekvens (resonansfrekvenser) Dette kan endre tilstanden til qubitsene uten at de kollapser.

Det er Ikke bare elektroner som kan danne entangulærte par med hverandre. En qubit kan være også andre partikler og danne et entangulært par med et annet qubit. Endringer i det ene qubitet vil automatisk endre det andre qubitet. Dette skjer uten at det er noen form for fysisk kontakt mellom qubitene.

Men når de entangulære partikler avleses, vil hele det entangulære systemet forstyrres og kollapse. Dette kan forklares med at to partikler som er entagulert med hverandre, har en felles bølgefunksjon. I utgangspunktet har de hver sin bølgefunksjon etter Scrödingerligningen, men etter å ha interaktivert med hverandre, får en felles bølgefunksjon og er da entangulert med hverandre. Når en av partiklene avleses, kollapser bølgefunksjonen, og da vil begge partiklene kollapse.

Qubits som er entangulært til hverandre, og dette kan skape parallellprosessering. Antall parallellprosesser som kan utføres, dobles ikke med antall qubits som entanguleres med hverandre, men økes med en faktor på 2ⁿ! I en superdatamaskin er det maksimale antall parallell-prosesser som kan utføres, proporsjonal med antall kjerner (2n).

Parallellprosessering

En kvantummaskin utfører ikke de enkelte operasjoner sekvensielt, som vanlige maskiner gjør. Den behandler flere operasjoner samtidig, parallelt i få trinn. Det betyr at en kvantummaskin med kun én chip utfører operasjonene mye raskere enn verdens største superdatamaskin. Maskinen i Kina kan erstattes med en kvantummaskin med én prosessorchip som er i størrelser fra 50 qubits.

Dersom en standardmaskin skal øke prosessorkapasiteten sin til det dobbelte, må maskinparken dobles i antall enheter. I en kvantumsmaskin får man den samme kapasitetsøkningen bare med å øke antall qubits med én! Da dobles parallellkapasiteten i maskinen. Kapasitetsøkningen i parallellbehandlingen i kvantumsmaskiner økes eksponentielt med antall qubits i kjernen etter formelen 2ⁿ der n er antall qubits. Den samme formelen for antall parallellbehandlinger i konvensjonelle maskiner er 2n der n er antall prosessorkjerner i anlegget.

Dersom qubit-tallet øker til flere tusen i en kvantemaskin, vil man kunne utføre databehandling langt ut over det som hittil har vært betraktet som mulig.

Dersom vi utfører slike quantum gate-operasjoner på flere qubits, kan dette vises matematisk ved hjelp av matriseoperatører.

Qubits kan være ulike typer objekter, men ofte brukes elektroner som informasjonsbærer i qubits. De kan være laget av superledere bygget av aluminium og silikon og fungerer kun ved det absolutte nullpunkt på -273 grader Celsius (nær 0 grader Kelvin). De inntar tilstander som kalles spinns som forteller hvilken retning elektronet er orientert, Det kan enten være orientert oppover (spin up) eller nedover (spin down). Hvilken tilstand av de to mulighetene som tilslutt blir lest, blir uttrykt med en sannsynlighetsfordeling.

Dersom to qubits (elektroner) opererer samtidig, kan hver innta to ulike tilstander. I entangulær kombinasjon kan to qubits innta 2 x 2 = 4 ulike tilstander. To qubits kan derfor innta fire parallelle operasjoner.

Støy og feilproblemer

Ulempen med kvantummaskiner, er at de lider av store støy- og feilrateproblemer. Siden man operer med de minste partikler som fotoner og elektroner, er de svært følsomme for påvirkning utenfra. En av tiltakene for å hindre slik støy, er å bringe den termiske støyen ned til et minimum. Det gjøres ved å kjøle ned systemet til det absolutte nullpunkt. Da kan man bruke superledere der elektroner kan gå begge veier samtidig, som gjenspeiler qubitens superposisjon. Andre fysiske tiltak er å skjerme mot all form for elektromagnetisk påvirkning ved å skjerme utstyret.

En metode for å korrigere feil i qubits, er å bruke redundans, det vil si å kopiere informasjoner fra qubits til andre qubits. Men slik kopiering er kvantefysisk umulig. Det vil ødelegge qubiten. Redundans kan oppnås derfor på en annen måte, ved å utnytte entanguleringsegenskapen til qubitene. Flere qubiter kan være entangulerte med hverandre. Informasjonen er da lagret i flere qubiten som danner en gruppe. Informasjonen lagres da ikke i den enkelte qubit, men i alle qubitene i gruppen i fellesskap. En logisk qubit kan bestå av flere fysiske qubits som er entangulerte, det vil si korrelert mot hverandre. Da oppnår man en redundans som sikrer informasjonen i qubitene. Når en maskin har mange fysiske qubits, vil ikke det vise hvor kraftig maskinen er siden mange qubits kan danne en enkel logisk qubit som brukes i informasjonsbehandlingen. Det er antall logiske qubits som gir et bilde av slagkraften til maskinen. I tillegg vil programvare feilretter informasjonen, er også sentralt for å sikre riktige resultater. Feilrettingsoppgaver i programvare har en sentral plass i denne sammenhengen.

Bruksområder

Siden disse maskinene baserer seg å kvantefysiske prinsipper, kan de kun brukes til statistiske beregninger, slik som kvantefysikken også baserer seg på statistiske forhold. Maskinene åpner for en helt ny type databehandling som tidligere ikke har vært mulig, selv med superdatamaskiner. Man regner at en kvantemaskin med 50 logiske qubits erstatter verdens største datamaskin i dag, Maskiner som skaleres ut over dette, vil løse oppgaver som tidligere har vært umulig å løse med konvensjonelle maskiner. Bruksområder som nevnes, er løsing og behandling av krypteringsnøkler (RSA-sertifikater), simulering for utvikling av medisiner og utforsking av kjemiske og biologiske emner, utvikling av nye materialer. I maskinlæring, det vil si maskiner som selv er i stand til å lære hvordan de skal fungere, som blant annet kan brukes i autonome, selvkjørende biler. Kvantummaskiner kan også brukes til å løse finansiele og miljømessige oppgaver.

Bekymringen er at disse maskinene kan overgå den menneskelige intelligens og hjerne og dermed erstatte mennesket. En konspirasjonshistorie er at dersom det amerikanske forsvaret styres av slike kvantummaskiner, kan maskinene finne ut at mennesket selv er statens farligste fiende. Autonome forsvarssystemer vil dermed aktiviseres for å destruere alle mennesker, siden de oppfattes som trussel mot forsvarsmakten.

Mange aktører

Det er mange aktører, både universitetsmiljøer og store firma, som engasjerer seg på dette feltet. Ledende er universiteter i USA, Canada, Storbritannia, Nederland, Danmark og Australia. Ledende kommersielle selskaper er IBM, Google, Intel, Microsoft, det kanadiske selskapet D-Wave og offentlige amerikanske organisasjoner som NASA CIA , NSA og forsvarsindustrien.

D-Wave

Er et canadisk selskap som holder til i Vancouver, men stort sett med personell fra USA. Det ble dannet i 1999. De er verdens første kommersielle operatør for kvantumdatamaskiner. Blant kundene er Lockheed Martin, Google, NASA, USC, USRA, Los Alamos National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, Volkswagen, og mange andre. I dag har D-Wave to kvantumdatamaskiner, hver med 512 qubits prosessorkjerner. Den brukes av NASA, Google, og en rekke andre store amerikanske bedrifter. Blant annet er det utført simuleringer for F-35-flyet på denne maskinen. D-Wave har solgt en kvantumdatamaskin til Google og NASA.

I 2010 introdusertes den første maskinen, D-Wave One™ quantum computer.
I 1013 kom 12-qubit D-Wave Two™ system.
I 2015 kom 1000+ qubit D-Wave 2X™.
I 2017 kom D-Wave 2000Q™ system med 2000 qubits.

Det har vært en del diskusjon i miljøet om dette virkelig er kvantumdatamaskiner. Disse maskinene bruker mer optimaliseringsalgoritmer i sine beregninger enn å utføre kvantumsbehandlig slik de andre aktørene gjør. Det store antall qubits i disse maskinene kan være fysiske qubits der flere qubits korreleres sammen i entangulerte grupper som danner logiske qubits.

Selskapet har tatt ut over 100 patenter.

Intel

Intel annonsert i 2018 sin 49 qubit chip^[3] etter først å ha introdusert en 17-bit chip to måneder tidligere.

Intel har også forsket på spinn elektron qubits som alternativ til superledende qubits. Det har et større skaleringspotensiale.

Intel har også utviklet en nevromorf chip, som bygger på de samme prinsipper som hjernen er bygget opp av. De kan brukes i smarte overvåkningskamera og selvgående biler.^[4]

Microsoft

Microsoft satser på sin egen topologisk-utviklede qubits som de mener er markedets mest stabile og feilfrie qubits^[5] siden de er mindre følsomme for støy. Den baserer seg på Michael Freedmans matematiske modeller for matematisk topologiteori. Dette er metoder for å omdanne et objekt ved hjelp av et sett funksjoner uten at informasjonsverdien tapes. Dette er utgangspunktet for utviklingen av topologiske qubits som Microsoft hevder er mer robuste, feilfrie og skalerbare enn konkurrerende løsninger, blant annet ved at logiske qubits består av færre fysiske qubits. Microsoft knytter dette arbeidet sammen med utvikling av spesialtilpasset programvare for kvantumsmaskiner.

Microsoft tilbyr et utviklingsverktøy^[6], Quantum Development Kit (QDK). Dette kan brukes på Windows10, Linux og MaxOS ved hjelp av programspråket Q#, som bruker Visual Studio som plattform. Programmene krever nesten 30GB diskplass for programmene og må kjøres på 64bits maskiner. Her kan man lage qubits-programmer som kan simuleres på standardmaskiner og som også kan kjøres på kvantumsmaskiner senere når de blir tilgjengelige.

Microsoft samarbeider mer miljøer i USA (Redmond, Santa Barbara, Lafayette), København, Nederland (Delft) og Sydney.

IBM

IBM bruker superledende transmon qubits^[7]. Brukere kan få tilgang til en 5-qubits maskin gjennom IBM Cloud ved hjelp av et Python brukersnitt (API) og et programutviklingssnitt (SDK) for å eksperimentere med kvantummaskiner^[8]. I 2017 ble det også mulig å bruke en 16-qubits maskin.

Google

I mars 2018 annonserte Google^[9] at de har en 72 bits kvantemaskin-chip. Men Google sier at de trenger mer testing før den kan brukes. Google har et åpenbart behov for å behandle store datamengder, der en kvantummaskin kan gjøre en god nytte, men foreløpig er maskinen brukt kun til forskning og utvikling.
Google har kjøpt en maskin fra D-Wave.

Rigetti

Dette firmaet ble dannet i 2013 av Chad Rigetti, en fysiker som arbeidet opprinnelig hos IBM. Det er California-basert og lager qubits chips med tilhørende utviklingsmiljø. Selskapet tilbyr tilgang til en 36 bits kvantumsmaskin gjennom skyen Forest der utviklere kan bruke programmeringsspråket Quil.^[10]

University of New South Wales (UNSW) Australia

UNSW-ingeniører har utviklet en helt ny arkitektur for kvantedatabehandling basert på hva de kaller «flip-flop qubits» som lover å gjøre den endelige storskala produksjonen av kvantemaskiner mye billigere og enklere. De baserer seg på å injisere fosforatomer i silisium-materiale som interaktiviserer med elektroner som kan utføre kvantedata-behandling . Dette åpner for en letter skalering av qubits i kvantedatamaskiner, basert på silisum-teknologi som allerede benyttes i datamaskiner. Sentralt i dette arbeidet er professor Michelle Simmons. De har også forsket mye på foton-qubits. ^[11]