Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Dagens kvantdatorer är enorma och komplexa maskiner som kräver stora mängder elektricitet för att kyla ned kvantdatorns chip till nära den absoluta nollpunkten.

© Google
Teknik

Kvantchip förvandlar din dator till en antikvitet

Nyligen gjorde Googles kvantdator en beräkning på under fyra minuter, vilken annars hade tagit världens mest kraftfulla dator 10 000 år att klara av. Därmed har grunden lagts till världens första fullt funktionella kvantdator som kan producera mer effektiv medicin, skapa smartare artificiell intelligens och avslöja några av universums största hemligheter.

2012 myntade John Preskill, teoretisk fysiker, termen quantum supremacy – kvantöverlägsenhet. Han definierade det som det ögonblick då kvantdatorer kan göra saker som är omöjliga för vanliga datorer.

Sju år senare, hösten 2019, nådde Googles kvantdator Sycamore denna milstolpe. På 200 sekunder gjorde kvantdatorn en beräkning som matematiker hade konstruerat för att vara så olöslig att det skulle ta världens mest kraftfulla superdator, IBMs Summit, cirka 10 000 år att genomföra beräkningen. Googles kvantdator är med andra ord cirka 158 miljoner gånger snabbare än världens snabbaste superdator.

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.

Möt forskarna bakom Googles kvantgenombrott. Följ med bakom kulisserna till kvantdatorn Sycamore som för första gången i historien nådde kvantöverlägsenhet.

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.

Googles kvantchip Sycamore är inte mycket större än traditionella datorprocessorer. Men för att chipets 53 kvantbitar ska kunna arbeta måste det installeras i ett skåp bestående av bland annat koppar och guld med temperaturer ända ned till den absoluta nollpunkten, –273,15 grader.

© Google

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.

Multitasking i kvantdatorn

En traditionell dator arbetar med så kallade bitar med värdet 0 eller 1. Så fungerar inte kvantdatorn. Den utnyttjar kvantfysikens lagar för att ha båda tillstånden samtidigt – så kallad superposition. Det gör att kvantdatorn kan göra vansinnigt många beräkningar 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.

Kyla håller kvantbitar knivskarpa

Extrem kyla på knappt 300 minusgrader är nödvändig för att hålla kvar kvantchippets känsliga kvantbitar i superposition under en längre tid. Kylan förhindrar att även minsta luft- eller ljuspartikel tränger igenom och slår kvantbitarna ur kurs.

Fryselement förstärker kvantbitsignalen

Överst i frysen sänks temperaturen till fyra kelvin – alltså fyra grader över den absoluta nollpunkten, minus 273,15 grader Celsius. Den här komponenten är en av totalt två som förstärker de signaler som skickas till och från kvantdatorns processor.

Mikrovågor dämpar elektroniska störningar

Kvantbitar är enormt känsliga för extern störning och även en enskild luft- eller ljuspartikel kan slå kvantbitarna ur kurs så att de förlorar sin superposition och inte längre kan göra några beräkningar. Mikrovågor dämpar därför hela tiden alla elektroniska störningar så att de känsliga kvantbitarna får optimala arbetsförhållanden.

Blandningskammare lägger processor på is

Här blandas två heliumisotoper, helium-3 och helium-4. Blandningen gör det möjligt att kyla ned kvantprocessorn till 15 millikelvin – vilket är femton tusendelar av en grad över den absoluta nollpunkten. Gasen från de två isotoperna cirkuleras runt i kylrör.

Sköld skyddar kvantbitar mot strålning

Kvantprocessorn sitter bakom en så kallad Cryoperm-sköld. Skölden består av en nickellegering och är fullständigt ljus- och lufttät så att ingen strålning kan nå in till datorns motor.

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.

Läs också:

Fysik

Kvantdatorer jonglerar med fysikens ytterligheter

1 minut
nb_u12 Googlefeud
Teknik

Nytt spel: Gissa Googles meningar

1 minut
Solsystemet

Häng med Google Maps till avlägsna planeter och månar

2 minuter

Logga in

Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
Visa Dölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!

Nollställ lösenord.

Skriv in din e-postadress, så skickar vi anvisningar om hur du återställer ditt lösenord.
Ogiltig e-postadress

Kontrollera din e-post

Vi har skickat ett e-postmeddelande till med instruktioner om hur du återställer ditt lösenord. Kontrollera ditt skräppostfilter om meddelandet inte har kommit.

Uppge nytt lösenord.

Skriv in ett nytt lösenord. Lösenordet måste ha minst 6 tecken. När du har upprättat ditt lösenord blir du ombedd att logga in.

Lösenord behövs
Visa Dölj