Hur fungerar en kvantdator och vad är nyttan?

Idéen att på allvar bygga supersnabba kvantdatorer, som drar nytta av kvantmekanikens lagar går tillbaka redan till mitten av 80-talet. En kvantdator är oerhört kraftfull och välanpassad för att lösa vissa typer av matematiska beräkningar inom till exempel fysik, kemi, och molekylärbiologi, det vill säga beräkningar som växer exponentiellt.

Det kan handla om att förstå egenskaperna hos våra minsta beståndsdelar som elektroner och kvarkar, och använda den kunskapen för att utveckla alltifrån medicin till byggnadsmaterial på molekylärnivå. Den typen av beräkningar skulle ta miljarder år med en vanlig dator, men kommer bara att ta ett par minuter med en kvantdator.

Det är lätt att hänföras av bilden att alla datorer i framtiden kommer att vara kvantdatorer och att våra vanliga datorer kommer att ersättas.

En vanlig missuppfattning är alltså att en kvantdator är som en vanlig dator, fast oerhört mycket snabbare. Men det stämmer inte. Det sätt som våra datorer idag är uppbyggda fungerar oerhört bra för sitt breda syfte, och det traditionella sättet att utveckla datorer kommer att fortsätta att löpa parallellt med utvecklingen av kvantdatorer.

Hur fungerar en kvantdator?

När en vanlig dator gör beräkningar bygger det i sin minsta beståndsdel på att en transistor är på eller av, där den informationen skickas vidare för nya beräkningar, det vill säga 1 eller 0. En etta eller nolla kallas för en bit. Ju mindre transistorer, desto fler bits går att få in i en dator eller en telefon, och desto snabbare, effektivare och kraftigare blir enheten.

En kvantdator fungerar ungefär likadant, men med en central skillnad, att en och samma partikel kan vara både 1 och 0 samtidigt. Det kallas för en kvantbit, som alltså befinner sig i en sorts superposition, i enlighet med kvantmekanikens lagar.

I praktiken innebär det att en kvantbit kan representera två positioner, 1 eller 0. Två kvantbitar hamnar sammanlagt i fyra positioner, 1 och 0, 1 och 1, 0 och 0, 1 och 1. Tre kvantbitar kan vara i åtta positioner, och så vidare. Ganska snabbt går det att inse att en kvantdator uppbyggd på kvantbitar därför kommer att kunna handskas med otroligt mycket mer information tack vare denna effektivitet.

I dagsläget har vi kommit ganska långt i att göra själva kvantbitarna stabila men den stora utmaningen är att få dessa bitar att inte komma i kontakt med sin omgivning. Då upphör superpositionen, kvantbiten kollapsar och informationen förvandlas till en vanlig bit. En kvantdator är med andra ord väldigt känslig för yttre påverkan och än så länge har ingen lyckats hålla mer än ett 50-tal kvantbitar i sin superposition, i en och samma dator.

När väl en tillräckligt robust metod är utvecklad som klarar av att hantera detta så kallade brus, det vill säga antalet kvantbitar som tappar sin superposition, kan kvantdatorn se dagens ljus på allvar.

En oerhört avancerad sådan lösning som bland annat Microsoft utvecklar kallas för en topologisk kvantteknik som förenklat går ut på att det inte är kvantbitarna i sig som läses av, utan enbart information om hur de är formerade, vilket gör att man i så fall kommer runt observationsparadoxen, samtidigt som det går att ha fler topologiska kvantbitar än vanliga kvantbitar.

Andra användningsområden för kvantteknik

Ett annat område som kommer att kunna utnyttja kvantmekanikens lagar och möjligheter på ett ännu bättre sätt är kvantnät. I ett traditionellt fibernät skickas trafik genom laserpulser som studsar fram ostört i fiberledningar mellan punkt A och punkt B.

I ett kvantnät skickas en partikel i superposition i nätet. En uppenbar vinst med kvantnät har med säkerhet att göra och att det per definition inte går att läsa av trafiken. Om någon utomstående skulle försöka spionera är det omöjligt, eftersom superpositionen skulle kollapsa.

Kvantnätens överlägsenhet handlar alltså inte om att de nödvändigtvis kommer att vara snabbare, men däremot oslagbara när det handlar om säkerhet. Det pågår redan forskning och utbyggnad av kvantnät i bland annat Nederländerna och USA.

Just på grund av säkerhetsfrågorna finns det liknande initiativ inom molnteknik och identitetshantering.

Men smartheten inom kvantteknik gör också att det finns en oro att kommande kvantdatorer skulle kunna knäcka krypteringar på en vanlig dator. För att skydda för den risken pågår ett arbete hos IBM att kvantsäkra krypteringsalgoritmer.