Skammtafræði er eitthvað sem er búið að vera til síðan um 1900. Yfir öldina hafa vísindamenn á borð við Max Planck og Albert Einstein rannsakað skammtafræði til að reyna að útskýra smæstu hlutina í veröldinni okkar. Seinnipart 19. aldar fóru vísindamenn að huga að því hvort ekki væri hægt að búa til tölvur sem notuðu skammtafræði til að reikna hin ýmsu vandamál. Ýmiss reiknirit voru gerð sem áttu einhvern tímann að virka á skammtatölvu en á síðustu árum erum við loksins farin að sjá skammtatölvur líta dagsins ljós (Live Science, 2019). En hvað er eiginlega skammtatölva?

Skammtafræði

Til að vita hvernig skammtatölvur virka þarf maður að vita aðeins um skammtafræði. Skammtafræði er fræðigrein þar sem allt sem er skoðað er mjög smátt eða á stærð við atóm og minna. Þegar stærðin er orðin svona lítil hætta lögmál eðlisfræðinnar sem við þekkjum að virka. Í staðin fyrir að vera skotheldar staðreyndir eru hlutirnir reiknaðar með líkindum (líkurnar á að eind sé á einum stað eða öðrum). Skammtatölvur snúast aðallega í kringum þrjá hluti úr skammtafræði sem við munum skoða en það eru „Quantum entanglement“ (QE), „Quantum superposition“ (QS) og „Quantum interference“ (QI).

Quantum Entanglement (QE)

QE er þegar tvær eindir hegða sér nákvæmlega eins (samband þeirra við staðsetningu, hröðun, snúning og skautun) þrátt fyrir að það sé langt á milli þeirra. Í rauninni, er ekki hægt að greina þær í sundur. Það er hægt að horfa á þetta eins og að snúa tveim peningum. Á meðan peningarnir eru að snúast, snúast þeir á nákvæmlega sama hraða og hafa nákvæmlega sömu staðsetningu allan tímann. Þegar þeir stoppa munu þeir báðir sýna sömu hlið. Þessir tveir peningar eru þá með QE sín á milli (Wikipedia, 2019). 2

Quantum Superposition (QS)

QS er þegar eitt atóm getur haft tvær stöður á sama tíma, fyrir skammtatölvu er þetta staðan á qubit (skammta biti eða quantum bit) sem getur verið 0 og 1 á sama tíma. Með þessu er hægt að leggja saman tvær eða fleiri stöður á quantum bitum og útkoman verður ný staða (eða svar) (Wikipedia, 2019).

Quantum Interference (QI)

Tengt Quantum superposition er eitthvað sem heitir „Quantum interference“ en það er þegar ein eind (t.d. ljóseind), getur farið fyrir sinni eigin stefnu (með QS) og þar með breytt sinni eigin stefnu. Þetta er vandamál sem verið er að reyna að leysa fyrir skammtatölvur, „error rate“ verður til út af þessu (WhatIs, 2019).

Skammtatölva

Vísindamenn hafa rannsakað skammtafræði í meira en 100 ár en það var ekki fyrr en 2016 sem almenningur fékk í fyrsta sinn að prófa að nota skammtatölvu í gegnum skýið hjá IBM. En af hverju erum við að þessu? Mun skammtatölvan gera eitthvað fyrir okkur í framtíðinni? Er einhver not fyrir hana í dag?

Til hvers?

Í dag getum við ekki gert margt með skammtatölvu en ekki er öll von úti. Tölvan sem þú átt heima hjá þér, meira að segja síminn þinn getur gert hluti hraðar og betur en skammtatölva. Hins vegar mun skammtatölvan ná frammúr okkar bestu tölvum (meira að segja ofurtölvum) eftir einhver ár. Þær munu verða svo öflugar að við munum geta notað þær í hermanir (simulations), sem geta hjálpað okkur að búa til betri lyf til að bjarga mannslífum, greina sjúkdóma fyrr, betri efni fyrir ýmiss tæki og reiknirit (algorithms) sem áður tóku gríðarlegan tíma að keyra geta farið úr mörgum árum yfir í mínútur. Til eru vandamál með svo mikil flækjustig (complexity) að það er ekki til nægilega mikil reiknigeta á Jörðinni til að leysa þau og þar koma skammtatölvurnar inn. (IBM, 2019)

Hvernig virkar skammtatölva?

Til að skammtatölva virki þarf maður að búa til qubit. Ein leið til að búa til qubit er að nota „superconductivity“ en það er efni sem getur fært rafmagn, eða rafeindir, á milli atóma án viðnáms. Þetta er notað til að halda það sem er kallað „quantum state“. En til að láta þetta virka þarf að halda qubitunum mjög köldum þar sem hiti gæti innleitt villur. Þess vegna keyrir skammtatölvan á um 15 m Kelvin (0,015 kelvin) en það er aðeins 0,015°C heitara en alkul og er kaldara heldur en lofttæmi í geimnum (IBM, 2019).

Vaxtaverkir

Stefnan er að búa til stöðuga skammtatölvu (fault-tolerant quantum system). En til að ná þeim árangri þurfum við að skoða tvo hluti. Annar þeirra er hversu mörg qubit ertu með, því fleiri sem þú hefur, því fleiri stöður er hægt að breyta og geyma í minni. Hitt er að minnka villurnar (error-rate) en það þarf til að qubitarnir virki rétt og leyfir þeim að gera aðgerðir í röð (sequential operations) sem gefur svar sem hægt er að reiða á. Ef villurnar (error-rate) eru of margar og maður bætir við fleiri qubitum, verður tölvan ekkert betri eins og má sjá á Mynd 1 (IBM, 2019). Þannig til að geta stækkað skammtatölvurnar þarf fyrst að laga villurnar (error-rate). 

Mynd 1

Kóða í skammtatölvu

Í dag sér IBM fram á það að hægt væri að búa til millilög (t.d. assembly kóði) þannig að forritarar í dag gætu með auðveldum hætti skipt yfir í skammta tölvu. En til þess að nýta sér skammtatölvu í dag verður maður að hugsa allt öðruvísi því í grunninn virkar skammtatölvan allt öðruvísi en tölvurnar okkar. Til að forrita í skammtatölvu þarf maður að nota hlið (gates). Hliðin eru búin til í gegnum örbylgjur sem eru á sömu tíðni og qubitinn og gegna hinum ýmsu hlutverkum.

Hægt er að ímynda sér qubit sem þrívíðri kúlu með miðju í (x, y, z) hnitakerfi. Út frá miðjunni er vektor sem stefnir á útjaðri (eða yfirborð) kúlunnar. Þegar vektorinn bendir norður er bitinn settur sem 0, ef hann bendir suður er hann 1. Hægt er að hafa QS (Quantum Superposition) sem snúningur um miðbaug kúlunnar, getur í raun bent á yfirborðið hvar sem er milli „norðurs og suðurs“. Hérna er dæmi um 3 hlið og hvernig þau virka.

XGate: lætur qubitann snúast um 180° yfir x-ásinn, þannig að biti sem er 0 verður 1.

HGate (Hadamard gate): Er snúningur á x + z ásinn (superposition) sem getur breytt qubita frá 0 til 0+1.

Cnot Gate (entanglement): Notað fyrir QE (quantum entanglement) og er skilyrtur snúningur sem reiðir sig á qubita sem stjórnar (control) þennan snúning á annan (target) eins og má sjá á eftirfarandi dæmi (Q er qubiti):

Q0 (control) = 0, Q1 (target) = 1

Cnot(Q0, Q1) þar sem Q0 er breytt í 1 ➔Q0 = 1, Q1 = 0.

Með þessum hliðum (gates) getur maður t.d. látið Q0 byrja í superposition 0 + 1, gerir síðan Cnot á hann og þá verður lokastaðan 00 + 11 sem er þá kallað „fully entangled 2-qubit state“, eða m.ö.o. eru þetta tveir entangled qubitar í superposition (hafa 2 gildi hvor).

Eins og má sjá í þessu dæmi virka skammtatölvur allt öðruvísi en tölvur í dag. (IBM, 2019)

Skammtatölvur eru mjög áhugaverðar og munu breyta heiminum í framtíðinni. Við eigum langt í land í þessa skammtatölvu framtíð en ég er bjartsýnn um að markmiðinu verði náð og ég mun fylgjast spenntur með framþróuninni.

Höfundur: Daniel Már Bonilla

Heimildaskrá

IBM. (2019). What is quantum computing. Sótt 19. september 2019 af https://www.ibm.com/quantum-computing/learn/what-is-quantum-computing/

Live Science. (2019). What Is Quantum Mechanics?. Sótt 19. september 2019 af https://www.livescience.com/33816-quantum-mechanics-explanation.html

WhatIs. (2019). quantum interference. Sótt 20. september 2019 af https://whatis.techtarget.com/definition/quantum-interference#targetText=Essentially%2C%20the%20concept%20states%20that,the%20direction%20of%20its%20path.

Wikipedia. (2019). Quantum entanglement. Sótt 20. september af https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement#targetText=Quantum%20entanglement%20is%20a%20physical,separated%20by%20a%20large%20distance.

Wikipedia. (2019). Quantum superposition. Sótt 20. september af https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition#targetText=Concept,specified%20by%20a%20complex%20number.