Læsetid: 4 min.

Tallene bor i kvantesuppen

Det er lykkedes at få milliarder af molekyler til at udføre et regnestykke med simple tal. Dermed er kvantecomputeren kommet et væsentligt skridt nærmere sin virkeliggørelse
14. januar 2002

Kvantecomputer
Hvordan kan man opløse tallet ’15’ i primfaktorer? Forstår man denne problemstilling, er svaret såre enkelt:
Det er selvfølgelig tale om primtallene ’3’ og ’5’, eftersom man ved at multiplicere disse netop får tallet ’15’. For en kontorcomputer er den slags også ren barneleg. Men for en kvantesuppe, dvs. for et bundt på milliarder af molekyler, der omdannes til regnemaskine inden for et givent tidsrum, er denne præstation et rent mirakel – et mirakel, der nu er blevet en realitet. For første gang nogensinde er det lykkedes at lade en ’regnemaskine’, der hviler på kvantefysikkens love, opløse et tal i faktorer. Metoden bestod i at udsætte molekylebundtet for et såkaldt kernemagnetisk resonansapparat – et instrument, der blandt andet bliver brugt til scanning i medicinske fag. Det videnskabelige gennembrud blev detaljeret beskrevet i det videnskabelige tidsskrift Nature 20. december.

Bits og qubits
Når man bevæger sig ned på atom- og molekyleniveau, synes fysikkens love at stride mod logikkens. Således bliver et kvanteemnes egenskaber modificeret i samme øjeblik, man iagttager det. På samme måde, som hvis man læste avis og sidernes indhold skiftede karakter, hver gang man kastede et nyt blik på dem. En tænkt ’kvantelampe’ vil i denne forstand kunne være slukket og tændt på samme tid. Og hver gang man forsøger at observere, hvilken tilstand den er i, unddrager den sig observation. Det er disse gådefulde egenskaber, som fysikerne nu forsøger at styre med henblik på at fremstille en såkaldt kvantecomputer, som vil have to bemærkelsesværdige fordele. For det første rummer hver eneste stykke fysisk stof milliarder af millarder af elementer, der potentielt lader sig omdanne til en kalkulationsmekanisme af uhørt potens. For det andet vil et sådant molekylebundt i teorien være i stand til at løse matematiske problemer, som ingen moderne computer nogensinde vil komme i nærheden af at løse, selv ikke hvis de kunne fortsætte deres beregninger i millioner af år.
Eksperimentet med faktoriseringen af ’15’ blev udført af IBM i computergigantens forskningslaboratorier i Almaden, Californien. Her satte Isaac Chuang og hans forskerhold sig for at fremstille og kontrollere såkaldte ’kvantebits’ eller ’qubits’ – det fysiske mikrounivers' sidestykke til de bits, som i millionvis får almindelige pc’ere til at fungere. Hvert stykke information repræsenteres af den magnetfelt-orientering, der er særegen for hver atomkerne (spin). Forskerholdet fabrikerede et C11H5F5O2Fe-molekyle således, at det repræsenterede en gruppe på syv ’qubits’. Forskerne perfektionerede derefter en række teknikker, hvorved de kunne interagere med molekylerns qubits ved at holde dem isoleret tilstrækkeligt længe fra den ydre verden til at de var i stand til at udføre et regnestykke. Molekylerne blev anbragt i et reagensglas med en opløsning i og blev derefter indført i et kernemagnetisk resonansapparat. Efter halvanden times magnetisk bombardement, nåede suppen på milliarder af millarder af molekyler frem til sit resultat:
For at få femten skal man gange tre med fem.

Uløselig matematik
»Præstationen virker måske ikke specielt imponerende,« indrømmer Lieven Vandersypen fra Delft-universitetet i Holland, som i forbindelse med et udvekslingsophold på Stanford University havde lejlighed til at deltage i IBM's forsøg.
»Der er i første række tale om et symbolsk skridt, fordi regnestykket er så elementært. Men for fysikere har eksperimentet uhyre stor betydning og perspektiverne er svimlende«.
Der er reelt tale om den første konkrete applikation af en model, som i 1994 blev formuleret af den amerikanske matematiker Peter Shor, da han leverede de teoretiske beviser for, at kvantemekaniske computere ville kunne løse hidtil uløselige matematiske problemer.
»Længe troede man, at det ville være umuligt at opbygge et sådant system, selv i simplest mulige udgave,« fortæller Lieven Vandersypen.
Ud fra fysikkens love tænkte forskerne sig, at et fænomen kaldet ’dekohærens’ ville gøre det umuligt at bevare qubits’ene i den tid, eksperimentet ville kræve, og frem for alt, at resultatet ville blive ’ødelagt’, inden det kunne måles. Men siden Shor fremlagde sin model har man vidst, at ingen fysiske love i princippet står i vejen for kvantecomputeren.
–Hvorfor vælge tallet 15? »Det var nødvendigt med et ulige tal. Lige tal er for lette at behandle, fordi de er delelige med to,« forklarer Vandersypen.
»På intet tidspunkt har vores kendskab til svaret influeret på kvantecomputeren. Hertil kommer, at 15 er det første ulige tal på mere end et ciffer, som ikke er et primtal (et tal, der kun er deleligt med 1 og tallet selv, red.) og derfor kræver mindst regnekraft at faktorisere. Det næste tal på listen er 21«.

Nanoberegninger
En kvantecomputer har for øjeblikket ikke udsigt til at komme på markedet. Den vil tidligst kunne blive et alternativ til vore dages almindelige kontorcomputere om 20-30 år. En kvantekalkule vil aldrig kunne foregå så simpelt som en kalkule i elektroniske chips.
»Men kvantecomputeren vil blive særdeles nyttig til at faktorisere meget store tal,« siger Lieven Vandersypen.
Med »store tal« mener han tal, som er helt uden for selv de mest potente supercomputeres rækkevidde, og som for eksempel kan bruges til at beskytte hemmelige koder. Men for computervidenskaben kan en af de vigtigste anvendelsesmuligheder ved en kvantecomputer blive udviklingen af elektronisk baserede computer med langt større regnekraft:
»Jo mindre transistor-teknologien bliver, jo tættere kommer den ned på de dimensioner, hvor kvanteeffekterne manifesterer sig. En kvantecomputer vil derfor kunne være ideel til at simulere, hvordan computerchips i nanostørrelse vil fungere«.

© Libération og Information

*Oversat af Niels Ivar Larsen

Bliv opdateret med nyt om disse emner på mail

Vores abonnenter kalder os kritisk, seriøs og troværdig.
Få ubegrænset adgang med et digitalt abonnement.
Prøv en måned gratis.

Prøv nu

Er du abonnent? Log ind her

Anbefalinger

anbefalede denne artikel

Kommentarer

Der er ingen kommentarer endnu