Kvantchip förvandlar din dator till en antikvitet

Kvantdatorn utnyttjar kvantmekanikens spelregler för att göra avancerade beräkningar som överstiger människans fattningsförmåga. Kvantmekaniken är en teori inom fysiken och handlar om fotoner, elektroner och atomkärnor.

Universums minsta byggstenar uppför sig tvärtemot allt förnuft. Två partiklars tillstånd kan till exempel vara förbundna med varandra trots att partiklarna är fysiskt åtskiljda över stora avstånd, och en enskild partikel kan befinna sig på två olika platser samtidigt.

Genom att simulera naturens komplexa fysiska och kemiska processer på atomnivå kan kvantdatorn bland annat hjälpa forskarna att utveckla ny, effektiv medicin och uppfinna supraledande material som kan leda elektricitet utan energiförluster.

Om kvantdatorn ska sparka in dörren till en ny vetenskaplig guldålder måste forskarna bakom den nya tekniken först övervinna en rad utmaningar.

Kvantbitar kan vara på alla platser samtidigt

Kvantdatorns processorkraft kommer från så kallade kvantbitar, även kallade qubits. I en vanlig dator lagras data som bitar med ett av två möjliga värden – 0 eller 1. Fyra traditionella bitar kan tillsammans skapa 16 olika kombinationer av data – (0000, 0001, 0010 och så vidare) – men den traditionella datorn kan bara arbeta med en av dessa kombinationer i taget.

Kvantbitar kan innehålla båda värdena – alltså både 0 och 1 – samtidigt. Detta kallas även för superposition. Det tillståndet gör att datorn kan arbeta med alla 16 datakombinationerna samtidigt. För varje extra kvantbit ökar processorkraften exponentiellt. En kvantdator med 300 kvantbitar kan enligt forskarna göra fler beräkningar samtidigt än det finns atomer i universum.

0 och 1 kommer från det binära talsystemet, vilket datorerna har byggt sina beräkningar på sedan datorerna fyllde ett helt rum och använde radiorör i stället för transistorer.

För att kunna använda binära tal i en dator måste de dock representeras av något fysiskt. Det sker i datorns mikroprocessor där miljontals mikroskopiska transistorer antingen kan släppa fram eller stoppa ström i mikroprocessorn. En öppen transistor motsvarar värdet 1 och en stängd motsvarar värdet 0. Ju fler transistorer en mikroprocessor innehåller, desto mer information kan datorn hantera samtidigt.

Känslig processor läggs på is

Googles kvantdator Sycamore och IBMs dito, IBM Q System One, bearbetar också data med hjälp av mikroprocessorer. I stället för miljontals transistorer som spottar ur sig ettor och nollor innehåller kvantdatorns ”hjärna” bara några få kvantbitar. Googles Sycamore-chip har totalt 53 kvantbitar medan IBM Q System One har 20.

Kvantbitarna är tillverkade av grundämnet niob och präglas in i ett kiselchip – samma material som vanliga datorprocessorer tillverkas av. Genom att separera två elektroder av niob med en tunn film av aluminiumoxid uppstår en så kallad Josephsoneffekt, vilket gör det möjligt att skapa kvantmekanisk superposition. En Josephsoneffekt uppstår endast när materialet är supraledande, det vill säga saknar elektriskt motstånd.

Här uppstår också de största utmaningarna i att utveckla en kvantdator som kan avlösa datorn på kontor och i hem över hela världen.

Eftersom kvantmekanikens egenskaper först visar sig längst ned i de allra minsta storleksförhållandena krävs nästan ingenting för att störa beräkningarna. Även en enskild atom eller en luft- eller ljuspartikel kan slå de känsliga kvantbitarna ur kurs så att de förlorar sin superposition.

Därför befinner sig den lilla kvantprocessorn i både IBM och Googles laboratorier längst ned i en frys i ett stort skåp av komponenter bestående av guld och koppar som kyler ned chippet till nära den absoluta nollpunkten, vilket är –273,15 grader Celsius. Konstruktionen kallas för dilution refrigerator eller cryostat och är en förutsättning för att forskarna över huvud taget ska kunna göra beräkningar med ett kvantchip.

Det förklarar också varför kvantdatorerna än så länge inte innehåller fler kvantbitar. Ju fler kvantbitar, desto svårare är det att hålla dem kvar i superposition någon längre tid eftersom risken för extern elektrisk störning ökar exponentiellt med antalet kvantbitar.

Kvantsprång väntar

Trots de stora framstegen som särskilt Google och IBM har gjort med sina kvantdatorer är det alltså fortfarande långt kvar tills den så kraftfulla datorn blir var mans egendom.

Om kvantdatorn ska kunna installeras i hemmen måste dess känsliga processor sannolikt behöva kunna arbeta vid rumstemperatur. Dessutom har Googles kvantdator "bara" slagit en superdator i en särskilt komplicerad formel som tagits fram för just det syftet. Nästa stora milstolpe blir att få kvantdatorn att lösa ett problem som har en verklig tillämpning.

Om det ska lyckas måste kvantdatorn kunna arbeta med tusentals, kanske till och med flera miljoner kvantbitar i taget, menar forskarna. Och det blir svårt eftersom strukturen av kvantbitar i Google och IBMs kvantdatorer påminner om ett korthus som riskerar att kollapsa även vid minsta störning utifrån.

Kanske kan en tredje IT-jätte, Microsoft, ha lösningen på problemet. De arbetar på att försöka kringgå kvantdatorns känsliga struktur via ett så kallat topologiskt kretslopp av kvantbitar. Designen fungerar som Legoklossar som förknippar kvantbitar med varandra som tegelstenar i ett hus och därmed gör datorn mindre känslig.

Om det blir Microsoft, Google, IBM eller någon annan som ger kvantdatorn sitt verkliga genombrott är omöjligt att säga. En sak är dock säker: kapplöpningen om att få kvantdatorn att flytta ut ur laboratoriernas iskalla frysanläggningar och på allvar bevisa teknikens värde har tagit fart på allvar.