Kvantecomputeren - Spørgsmål og svar

Tirsdag den 21. februar 2017 afholdte Aarhus Universitet foredraget "Kvantecomputeren" som en del af foredragsserien Offentlige foredrag i Naturvidenskab.

Foredragsholderen, Klaus Mølmer (KM), professor i kvantefysik, Aarhus Universitet, har besvaret modtagne spørgsmål. Nedenfor ses både spørgsmål og svar.

Lukas

Hvis partiklers eksistens er afhængig af iagttagelse, eksisterer jeg så når der ikke er noget lys min krops partikler kan reflektere?

KMDer er præcis sådan et spørgsmål vi fysikere stiller os selv. Svaret afhænger af hvilken ”Skole” inden for kvantefysikken man tilhører. Det vi objektivt er enige om, er, at partikler tvinges til at ”vælge” tilstand, så snart vi lyser på dem. Når jeg lyser ind i min kvantecomputer og måler værdien af mine data, ødelægger jeg deres evne til at forblive både 0 og 1. Sker dette fordi jeg lærer noget eller fordi lyset i sig selv forstyrrer partiklen? Her ved vi, at hvis lyset kunne have fortalt mig noget om partiklen, er det nok til at ødelægge computerens regneevne, også selvom jeg ikke detekterer det. Mange fænomener bliver altså ”klassiske”, fordi der skal meget lidt til at ødelægge kvantetilstande.

Torben, Egå

Vurderer du, at menneskehjernen på et tidspunkt vil kunne simuleres med en kvantecomputer? Og hvis det på et tidspunkt lykkedes at lave stærk kunstig intelligens, tror du så det vil være med kvantecomputeren?

KMSom jeg diskuterede kan kvantecomputeren ikke give svar på mange spørgsmål på samme tid, og selv om man kunne modellere, hvad der sker overalt i hjernen på samme tid, kan vi ikke udlæse det af kvantecomputeren. Det at kvantetilstandene forsvinder, når man måler dem, gør det især svært at studere komplekse systemer, hvor man gerne vil have meget at vide. Omvendt er jeg helt sikker på at de kunstig-intelligens-systemer, der lærer selv ligesom hjernen, vil kunne drage nytte af kvantealgoritmerne, som kan gøre deres ”indlæring” hurtigere. En kunstig kvantehjerne vil kunne teste flere muligheder samtidigt og belønne det valg, der opfylder et enkelt kriterium bedst muligt.

Reidun

Får vi et interferensmønster når én foton sendes mod to spalter? Og har nogen observeret en elektron mange steder samtidig?

KMInterferensmønstret opstår når en foton går gennem to spalter, men for at kunne se mønstret, skal jeg bruge mange prikker. Mønstret er nogle striber der består af prikker, og hver enkelt prik er en følge af én enkelt foton. Derfor skal man bruge mange fotoner. Nej, vi ser altid elektronen ét sted. Men når vi ser at mange uafhængige elektroner tilsammen danner et stribemønster, peger det på at de hver især må have bevæget sig gennem apparatet af flere veje for at nå det sted vi observerer den. Vi har også set stribemønsteret for mange andre partikler: fra elektroner og fotoner, og helt op til atomer og endda meget store molekyler.

Michael, Kolding

Tror du det bliver muligt at bruge entanglement til kommunikation, så det bliver muligt at kommunikere over lange afstande, f.eks. til Mars, uden forsinkelse?

KMVi bruger allerede nu entanglement til kommunikation, op til et par hundrede kilometer. Der er et kinesisk satellitprojekt i gang, der gør det muligt at sende information via entanglement til satellitten, og derfra videre. Det kan være f.eks. til Mars eller Månen. Men uden forsinkelse bliver det aldrig. Selvom de entanglede partikler er skabt i forvejen, foregår kommunikationen ikke kun ved at måle på den ene partikel. Der er altid brug for at sende en ”klassisk” besked, der fortæller den anden eksperimentator, hvordan han eller hun skal måle på sin partikel og fortolke resultatet. Det har vi ikke fundet en måde at gøre hurtigere end lyset, heldigvis!

Joakim, Struer

Da entanglede partikler øjeblikkeligt kan kommunikere med hinanden trods afstand, bryder det så ikke med Einsteins relativitetsteori?

KMVi kan ikke kommunikere hurtigere end lyset. Det er rigtigt at når jeg måler på min partikel, sætter jeg omgående de andre partikler til at være i en ny tilstand, som afhænger af hvad jeg har gjort. At to ting via entanglement sker samtidig, betyder dog ikke at vi kan sende en besked på den måde. Det er godt nok udtryk for at der findes en korrelation mellem de kvantefysiske partikler, men for at kunne bruge den, skal vi foretage en måling, og sjovt nok forhindrer tilfældighederne (Gud spiller terning) lige præcis al kommunikation, med mindre den kombineres med et klassisk signal fx fra den ene til den anden aktør, som instruerer om hvordan hun skal måle på sin partikel og tolke resultatet. Nu lyder det som om vi ikke har vundet noget som helst, men sådanne protokoller kan faktisk bruges til 100 % sikker kryptering, da man kun behøver fortælle, hvordan der skal måles på den klassiske kanal, men ikke hvad man måler.

Ukendt afsender

Når du siger at partikler er flere steder på én gang, er de så fysisk flere steder, eller er det bare en lettere måde at betragte den probabilistiske model på?

KMDet er en talemåde at sige, at partiklerne er flere steder på samme tid. Hvad partiklen virkelig gør, taler vi slet ikke om, da vi (ifølge Bohr) kun beskæftiger os med, hvad vi ved om målinger på partiklen – d.v.s.,sandsynlighederne for at blive detekteret et af flere steder. Dette er præcist, hvad Einstein hadede ved teorien, og fik ham til at efterlyse en udvidet teori, som handlede om fysikken og ikke om observatøren – et meget rimeligt ønske.

Jeppe, Aars

Hvilke fremtidige begrænsninger kommer kvantecomputeren til at have, ligesom transistor processoren er begrænset af Moores lov?

KMMoores lov er en iagttagelse af, hvor hurtigt almindelige computere er vokset gennem årtier, hvilket er ca. en fordobling af deres regnekraft hvert halvandet år. Vi har nu nået grænsen for Moores lov, fordi vi er ved at ramme det absolutte minimum for størrelsen af de enkelte komponenter i computeren. Mens en fordobling af en klassisk computers regnehastighed kræver at CPU’en kører dobbelt så hurtigt, eller at jeg fordobler antallet af ”processor-cores”, skal jeg kun tilføje én enkelt bit for at kvantecomputeren regner på dobbelt så mange muligheder som før. Der vil naturligvis også være grænser for kvantecomputerens vækst, men fordi kvantecomputerens regnekraft vokser på en anden måde, har ingen endnu kunnet gætte på en ”Moores lov” for kvantecomputere.

Charlotte, Egå

Hvad er det helt præcist vi kan bruge kvantecomputeren til når/hvis den blive udviklet (på hverdagsplan evt.)?

KMJeg tror ikke at der kommer en kvantecomputer-PC eller smartphone, som vil have afgørende anvendelser i hverdagen. Hvis jeg skal være optimistisk, vil jeg tro at medicinforskere, biologiske forskere og materiale-forskere kan bruge kvantecomputeren til at regne på effekten af diverse lægemidler, molekylære og mikrobiologiske processer og materielle konstruktioner. Dermed kan vi være med til at løse mange af samfundets største udfordringer for sundhed, miljø, energi, … og skabe en sikrere verden.

Anker Steen, Haderslev

Er det kritisk med temperaturen i en kvantecomputer?

KMJa, det er det. Temperatur er energi, og energi er bevægelse, og det er kritisk at temperaturen er så lav at man ikke hopper tilfældigt rundt mellem tilstandene 0 og 1. I superledende systemer skal temperaturen helt ned på 1/100 grad fra det absolutte nulpunkt, fordi energierne ligger rigtig tæt. Atomerne behøver ikke være lige så kolde, fordi deres energier ligger langt fra hinanden. Faktisk foregår atomfysik-forsøg ved stuetemperatur, men i et godt vakuum, hvor vi kan få atomerne til at ligge stille ved hjælp af laserlys.

Laurits, Odder

Hvordan fanger man et atom, hvis man ikke må pille ved det, og hvordan opbevarer man det efterfølgende?

KMVi kan fange og opbevare atomer med laserstråler. Laserstrålen kan fejes fra side til side og dermed bruges til at flytte partiklen. Da det er vigtig at man ikke ved om partiklen er tilstanden for 0 eller 1, skal de to tilstande påvirkes helt ens af laserstrålen. Man kan også fange atomer i magnetfelter og i elektriske felter, og der findes belægninger af paraffin, som man kan smøre på glas, så atomer, der rammer dem, bliver reflekteret uden at den indre kvantetilstand ændre (ret meget).

Annemone, Skive

Nanostål er lyd- og lysledende. Vil det kunne være med til at optimere ydeevnen og minimere størrelsen på kvantecomputeren?

KMEn række nye materialer, og især fra nano-teknologierne, har helt unikke egenskaber. Materialer med høj grad af renhed, lav elektrisk modstand, stabile egenskaber fx under temperatursvingninger, vil helt sikkert konkurrere om at blive de foretrukne komponenter i kvantecomputeren.

Peter, Kolding

Du sagde at en normal computer bruger meget strøm, men hvor stor en strømforsyning skal jeg så købe til min kvantecomputer?

KMJeg vil vente lidt med at købe strømforsyningen ;=) Men jeg er sikker på, den bliver ret stor, fordi der er så meget ”udenom” til at holde på og styre de mikroskopiske partikler: køleskabe, der køler til -273 grader, vakuumkamre, laserstråler, stærke magnetfelter...

David, Kolding

Hvor store kvantecomputere kunne man potentielt lave?

KM

Begrænsningen i mængden af databits går ikke så meget på deres antal, men på hvor mange, vi kan koble til hinanden for at regne på dem. Den atomare computer på to fodboldbaner, som jeg viste, kan i princippet udvides til endnu større områder fordi sammenkoblingen kun kræver at dens moduler ”taler med naboerne”. Andre arkitekturer med fx data lagret i enkelte atomare ioner i en enkeltfælde vil ikke virke med mere end 100 ioner, fordi deres fælles bevægelse og dermed kommunikation bliver for langsom.

Søren, Bornholm

Bliver konsekvensen ubrydelige koder, eller at ingen kode vil være ubrydelig?

KMKonsekvensen af kvantecomputeren er at den såkaldte RSA-kryptering kan knækkes. Kryptologer er i fuld gang med at udvikle alternative koder, som vi måske ikke kan knække med en kvantecomputer. Kvantemekanikken tillader også særlig kvantekryptering, som er garanteret sikker. Men som foreløbigt er begrænset til korte afstande (max 200 km).

Ukendt afsender

Kan man folde fodboldbanen så maskinen bygges i tre dimensioner?

KMDen to-dimensionelle ”overflade-” kode er et vigtigt element i vores forslag, men der findes også forslag til sikring af data mod fejl i tre og flere dimensioner. En teknisk fordel ved to dimensioner er at du i vores forslag kan komme ind med strøm, køling, magnet- og laserfelter samt nye ioner fra den tredje, lodrette dimension uden at forstyrre de andre databits.

Ida, Frederikshavn

Hvordan får man partikler ind i kvantecomputeren?

KMI vores forslag, er der huller i vores moduler, som man kan lukke atomer op igennem. Den metode er faktisk allerede i brug i flere laboratorier: man sender en lille sky af neutrale atomer op igennem et lille hul, og med en laserstråle kan man ionisere et atom, d.v.s., fjerne en elektron, så det blive en ion, der kan fanges med de elektriske og magnetiske felter over vores store chip-overflade. Denne metode bruges både når computeren skal fyldes op fra starten og til at supplere, når en ion går tabt.

Meike og Rune, Egå

Tror du ikke den almindelige borger vil føle sig mere usikker lige når kvantecomputeren kommer på markedet? Det er jo kun de rigeste der kan købe en kvantecomputer. I forlængelse deraf, mener du så at dilemmaet ift. overvågning er stort nok til at overveje at stoppe produceringen af kvantecomputeren?

KMPå grund af dens mange gode anvendelser (og sikkert også nogle af de dårlige) tror jeg ikke vi får et internationalt forbud mod kvantecomputere – så skulle almindelige computere jo også have været forbudt. Jeg er også selv bekymret for misbrug af kvantecomputeren, men mener at den første forudsætning for at kunne holde kontrol med den er at frie, offentlige forskere følger med i udviklingen og ærligt orienterer politikerne og befolkningen om hvad der er status. Jeg afviser også selv at deltage i enhver form for hemmeligstemplet forskning i kvantecomputere.

Sarah, Aarhus

Kan kvantecomputere blive internettets og dataudvekslingens, som vi kender den, undergang?

KMSelvom kvantecomputeren truer krypteringssystemer, er det jo ikke alt hvad vi gør på nettet, som er hemmeligt, så det tror jeg ikke. Kvantemekanikken tillader i øvrigt også sikre krypteringsmuligheder, så vi i virkeligheden kan få et endnu sikrere internet.

Annemone, Skive

Du forklarede at kvantespring afgiver energi. Betyder det at der vil kunne udvindes energi (bæredygtigt?) af en kvantecomputer? Evt. til at kunne oplade/drive en bil, eller give nok energi til at computeren ikke behøver strøm?

KMDet er rigtigt at der afgives energi i form af lys ved kvantespringene, men kun fordi elektronen selv springer fra en tilstand med høj energi til en tilstand med lave energi. Energien er altså bevaret. Men, vi forsker intenst i om, kvanteeffekter kan lave mere effektive maskiner end vi kender i den klassiske fysik fx til at konvertere varme om til bevægelse.

Michala, Haderslev

Når output er 36 ELLER 49, hvorfor er input så 6 OG 7 og ikke 6 ELLER 7?

KMUndskyld jeg ikke beskrev det præcist nok. Jeg kan godt lave bit-superpositionerne, så input er 6 og 7 på samme tid, og regningen giver så et output, som er 36 og 49 på samme tid. Så vidt så godt. Men når jeg skal udlæse et resultat, jeg ikke kender i forvejen, sker der det mystiske kollaps, hvor jeg altså tvinger systemet til at vælge mellem de to udfald i stedet for at give begge to.

Ukendt afsender

Er det overstregede ”h” en konstant til i Erwin Schrödingers regnestykke, hvis ja hvad er tallet?

KMDet overstregede ”h” i Schrödingers ligning har enheden energi gange tid og en værdi på ca. 10^-34 Js. Den meget lille værdi betyder at kun meget lette partikler opfører sig som bølger.

Magnus, Kolding

Hvordan styrer man outputtet af kvantecomputeren?

KMInput, regnedata og output opbevares ofte i de samme partikler, som undervejs påvirkes til at udføre regneoperationer. Der er en konflikt mellem af have hurtige regnebits og stabile hukommelsesbits, og derfor arbejder vi også med at overføre data mellem fx superledere og atomer.

Ulrik, Aarhus

Nogle autister/savanter kan regne på usandsynligt store tal uden betænkningstid, og har en anden abstrakt forståelse for tallenes sammenhæng. Tror du deres hjerne fungerer ligesom en kvantecomputer?

KMNej, det tror jeg ikke. Jeg læste en bog om hukommelseskunstnere som viste, hvordan vi alle kan lære at huske meget lange sekvenser af ting eller tal. Min datter lærte sig de første 200 cifre af pi for at prøve det, og hun kan dem endnu. Jeg tror, at de savante synes det er sjovere at udfordre sig med den type opgave end de fleste andre, og jeg er sikker på at de derfor også blive bedre til de fantastiske ting, de kan.

Emil, Struer

Nu er det gået stærkt med at udvikle den computer vi har i dag fra den første dampcomputer, så hvornår vil dit bud være på vi kan købe en kvantecomputer?

KMDu kan i dag købe D-Wave’s kvantecomputer. Den kan, lidt ligesom min leg med håndsoprækningen før pausen, programmeres til at finde konfigurationer af klassiske bits under meget komplicerede regler for hvilke, der er tilladt, men den kan ikke programmeres til generelle beregninger. IBM, Google m.fl., vil nok sælge deres første computere om 5-10 år.

Michael, Aarhus

Hvordan sænker man fejlraten så kvantecomputere kan realiseres?

KMMed stort besvær ;=) Fejl kan skyldes mangel på præcision, så man skal udvikle nye strøm- og lyskilder; de kan skyldes at partiklerne bombarderes af andre partikler, så vi skal lave bedre vakuum-kamre, o.s.v. Der er heldigvis også en række muligheder for at bruge teoretiske tricks til at sikre stabiliteten og præcisionen af regneoperationer. For eksempel kan man sammensætte flere operationer, så en fejl i den første automatisk kompenseres i den næste.

Søren

Hvordan ved man om den regner rigtigt? Kan man aflæse resultatet uden at påvirke beregningen og kræver det ikke stor kapacitet at aflæse de mange resultater?

KMEksemplet jeg gav med faktorisering er godt: det er rasende svært at finde et tal der går op i et stort tal, men det er nemt at kontrollere om et bestemt bud på en faktor er korrekt eller ej. For andre problemer, kan man i stedet fx regne flere gange og se om man får det samme.

Flemming og Klaus, Aarhus

Hvis kvantecomputeren indeholder mange resultater på én gang, hvordan kan man så læse et enkelt resultat blandt de mange?

KMJa, det er netop problemet. Derfor er de problemer og algoritmer, vi ser på, også af en slags hvor vi kun behøver læse et tal til sidst. Det egentligt geniale ved Shors og Grovers algoritmer er at de fører til en tilstand af kvantecomputeren, hvor den endelige måling med meget stor sikkerhed giver et rigtigt svar på det stillede problem. Det er den svære del af kvantealgoritmen, og hvis du husker min snak om bølgefunktionen og hvordan dens talværdi giver sandsynligheden for at finde partiklen et bestemt sted, kan du tænke på Shors algoritme som om den får en helt flad bølgefunktion med samme sandsynlighed for alle værdier til at rejse sig som en flodbølge på et bestemt sted.

Ukendt afsender

Hvordan eksperimenterede hippierne med kvante-relaterede LSD-forsøg?

KM

Ifølge bogen jeg læste, forsøgte de at bryde med de statistiske tilfældigheder, der opstår hvis to personer skal gætte hvad den anden tænker på. Der findes en matematisk formel, Bell’s ulighed, som skal være opfyldt, hvis sådanne par af målte data allerede er givet ved en tilfældig eller aftalt mekanisme. Nogle af hippierne troede at de med bevidsthedsudvidende stoffer LSD kunne komme i kontakt med en indre kvante-bevidsthed, som så skulle kunne tillade dem at gætte tal på en måde som ville bryde Bell’s ulighed. På internettet kan du se masser af paranormale ideer. Hippiernes ideer tog her udgangspunkt i rigtig fysik, men de virkede ikke.

Selvom ingen tankelæsere og hippier endnu har kunnet bryde Bell’s ulighed på overbevisende vis, har fysikere gjort det med fotoner; den kvantemekaniske effekt er altså god nok.

Ukendt afsender

Vil traditionelle programmeringssprog kunne overføres til kvantecomputere?

KMI praksis vil kvantecomputerens mikroskopiske partikler styres af fx strømme og laserstråler, som selv vil blive styret af en klassisk computer, og givetvis med samme programmer som vi ser styre laboratorier i dag. Microsoft er til gengæld i gang med at udvikle særlig kvantesoftware, som både matcher kvantecomputerens fysiske funktion og den type opgaver vi reelt ønsker at løse på maskinen – her bliver der tale om særlige kommandoer, særlige subrutiner, og måske også særlige neurale netværksalgoritmer.

Anker Steen, Haderslev

Kan antistof og kvantefysik kombineres (arbejde sammen/modarbejde eller noget andet)?

KMDirac foreslog eksistensen af antistof som konsekvens af hans kvantemekaniske regninger, og antistof er en del af den kvantefysiske verden. I laboratoriet er det svært at håndtere, så vi ser nok ikke en kvantecomputer af antibrint.

Patrik, Bornholm

Kan vi bruge en kvantecomputer til at spille Counter Strike?

KMNej, jeg tror ikke Counter Strike kommer på en kvantecomputer. Men måske nye former for internet-poker, hvor man ikke kan snyde.

Lukas

Hvis 1 og 0 er afhængige af enten spænding eller ingen spænding, og en kvantecomputer kan vise begge værdier samtidig; hvordan kan der så både være spænding og ingen spænding på én gang?

KMDet er ”nemt”: Spændingen kunne for eksempel skyldes at du sidder tæt på en elektron (som er elektrisk ladet). Hvis den er længere væk er spændingen svagere, og hvis den kan være to steder på en gang, har spændingen også to forskellige tilhørende værdier.

Jens, Omø

Du fortalte at udsender man to partikler fra et fælles punkt, får den ene en bestemt position, når man måler den anden. Hvordan måler man at en partikel får en position (og ikke bare havde den position hele tiden)?

KMEn statistisk test af hvor ofte målingerne på to partikler giver de samme og forskellige resultater kan udelukke (men kun efter mange målinger) at partiklerne hver især detekteres på steder, uafhængigt af hinanden. Denne test hedder Bell’s ulighed og blev foreslået i 1960’erne, og testet første gang omkring 1980.