Sånn kan vi få kvantedatamaskiner som faktisk fungerer skikkelig
Kvantedatamaskiner har foreløpig ikke tatt helt av, men i framtida blir nok de superraske datamaskinene mer vanlige. Forskere ved NTNU bringer framtida et lite steg nærmere.
Kortversjonen
- En ny teknikk gir bedre presisjon og gjør kvanteoperasjoner mer robuste – et viktig skritt mot praktisk brukbare kvantedatamaskiner.
- Ustabilitet i kvantebiter er hovedproblemet som gjør at kvanteprosessorer i dag ikke kan bygges store nok til å være virkelig nyttige.
- Forskere ved NTNU og samarbeidspartnere har utviklet en metode der kvantebiter overvåkes i sanntid. En FPGA-kontroller justerer frekvensen deres fortløpende for å kompensere for forstyrrelser.
Kortversjonen er laget ved hjelp av kunstig intelligens. Deretter er den gjennomgått av et medlem av redaksjonen.
Kvantedatamaskiner har vi snakket om noen år nå. Dette er datamaskiner som er mye raskere til å utføre enkelte viktige typer beregningsoppgaver enn flere av dagens maskiner er.
Sampleholderen ved MIT som holder kvanteprosessoren. Foto: Lukas Pahl, Massachusetts Institute of Technology
Men foreløpig er byggesteinene som utfører beregningene i kvantedatamaskinen, de såkalte kvantebitene, for ustabile til at vi kan få kvanteprosessorer som er store nok til å være virkelig nyttige.
– Kvantedatamaskiner er helt avhengige av at kvantebiter holder seg stabile for å kunne utføre de spesielle beregningene de er laget for, sier Jacob Benestad ved Institutt for fysikk ved NTNU. Han tok nylig doktorgraden på et arbeid om kvantebiter.
Dette er vrient. La oss lære litt om kvantebiter først.
Ikke bare 0 og 1, men alt imellom
Vanlige datamaskiner overfører data i form av såkalte «bits». Under all den imponerende informasjonsflyten av bilder og filmer og tekst ligger egentlig bare strøm som enten er «av» eller «på» i transistorer. De er 0 eller 1. Det finnes ingenting imellom.
Men kvantebiter, som kvantedatamaskiner overfører informasjon med, kan også ha mellomformer. Det er ikke bare av eller på, de kan være alt mulig innimellom. Lyset kan på et vis dimmes.
Samtidig kan hver enkelt kvantebit «vite» tilstanden til alle de andre kvantebitene. I hvert fall så lenge alt fungerer. Til sammen gjør dette at kvantedatamaskiner er så gruelig raske til å utføre enkelte typer beregninger. (Se faktaboks.)
Kvantedatamaskiner
- Kvantedatamaskiner vil alltid bare være bedre enn vanlige datamaskiner til noen bestemte typer beregninger.
- Hovedforskjellen er at en vanlig datamaskin lagrer og behandler ett tall om gangen, mens en kvantedatamaskin kan jobbe med alle mulige tall samtidig gjennom noe som kalles «superposisjon».
- Problemet er at når vi skal lese svaret, får vi bare ett tilfeldig resultat ut av alle mulige. Skal vi ha alle resultatene, må vi gjenta prosessen mange ganger. Da er en vanlig datamaskin mer effektiv.
- Derfor er kvantedatamaskiner nyttige først og fremst i situasjoner der vi må sjekke enormt mange muligheter, men der vi bare trenger ett riktig svar til slutt. I tillegg kommer mange bruksområder innen optimalisering og simulering.
Følsomme kvantebiter
Men det er ett problem ved det.
– Kvantebiter er ekstremt følsomme for omgivelsene. Selv små forstyrrelser kan få dem til å miste sine unike egenskaper, sier professor Jeroen Danon ved Institutt for fysikk ved NTNU.
Ved NTNU jobber forskerne nettopp med å gjøre disse kvantebitene mer stabile, og dermed løse dette problemet.
Justerer kvantebitene hele tida
– Vi har utviklet en metode som overvåker kvantebitene i sanntid og justerer frekvensen deres fortløpende for å justere for forstyrrelsene fra omgivelsene, sier Benestad.
«Vi» er i dette tilfellet NTNU, Universiteit Leiden, Niels Bohr Institutet og Massachusetts Institute of Technology.
Jeroen Danon. Foto: NTNU
Ved hjelp av en såkalt FPGA-kontroller oppdager systemet når kvantebiten begynner å skli ut. Da korrigerer kontrolleren frekvensen til kvantebiten med det samme, sånn at den holder seg stabil.
Du kan sammenligne det litt med en gitarstreng. Denne gitarstrengen kan lage helt spesielle toner så lenge den er stemt rett, men samtidig blir den veldig fort ustemt om den blir forstyrret.
Folkene ved NTNU og deres samarbeidspartnere greier å stemme gitarstrengen i sanntid, mens den er i bruk. Dermed holder kvantebiten tonen lenger og spiller renere.
– Dette gir lengre levetid, bedre presisjon og mer hardføre kvanteoperasjoner. Det er et viktig skritt mot pålitelige kvantedatamaskiner, sier Danon.
Arbeidet er viktig fordi vi trenger mange stabile kvantebiter for å bygge kvantedatamaskiner som faktisk fungerer, påpeker forskerne.
Referanse:
F. Berritta, J. Benestad, L. Pahl, M. Mathews, J.A. Krzywda, R. Assouly, Y. Sung, D.K. Kim, B.M. Niedzielski, K. Serniak, M.E. Schwartz, J.L. Yoder, A. Chatterjee, J.A. Grover, J. Danon, W.D. Oliver, and F. Kuemmeth. Efficient Qubit Calibration by Binary-Search Hamiltonian Tracking. PRX Quantum 6, 030335, Aug 2025. Doi: 10.1103/77qg-p68k
