Kvantdatorer - en ny beräkningslogik

Det här är första delen i en serie av tre delar om kvantdatorer och AI. Del 1 handlar om vad en kvantdator egentligen är och varför den skiljer sig från klassisk beräkning. Del 2 kommer att gå igenom vilka algoritmer som blir snabbare med hjälp av kvantberäkning, och del 3 handlar om hur kvantdatorer och AI kan förväntas samverka och påverka varandras utveckling.

När en vanlig dator räknar går den steg för steg, ettor och nollor i följd, enligt tydliga regler. En kvantdator fungerar på ett helt annat sätt. Den bygger på kvantfysikens lagar där partiklar kan vara i flera tillstånd samtidigt. I stället för bitar använder den qubitar som kan representera både 0 och 1 på samma gång. Det ger en parallellitet som alltså inte handlar om snabbare processorer utan om ett helt annat icke-binärt sätt att räkna.

"If you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics." Richard Feynman

I en klassisk dator rör sig elektroner genom logiska grindar som styrs av transistorer. En kvantdator arbetar med kvanttillstånd som manipuleras med mikrovågor, laserljus eller elektriska fält. Resultatet påverkas av sannolikheter, inte deterministiska regler. För att läsa av svaret måste systemet mätas. Tyvärr är en av kvantmekanikens många knepigheter att själva mätningen får det kvantmekaniska tillståndet att kollapsa till ett enda utfall. Därför måste många körningar göras för att bygga upp en statistisk bild av resultatet.

Anta att vi singlar slant. För att göra exemplet lite intressantare är myntet preparerat så att sannolikheten för krona är tre gånger så hög som sannolikheten för klave. Funktionen kan simuleras med en qubit som alltså kan vara både krona och klave samtidigt (tänk dig myntet fortfarande i luften) men så fort som vi läser av den visas antingen krona eller klave. Som illustrationen till den här artikeln visar så kommer upprepade körningar att visa krona 75% av gångerna och klave 25%.

Vad ska det här vara bra för?

Föreställ dig att uppgiften är att lösa ett Sudoku istället för att simulera en slantsingling. Här kan vi intuitivt ana oss till fördelarna med att parallellt testa olika lösningar. Kvantdatorer tillför i teorin mest vid utforskandet av komplexa system där utfallet inte alltid är binärt utan ofta sannolikhetsbaserat.

Där traditionella datorer tvingas prova en lösning i taget kan kvantdatorn väga flera möjligheter samtidigt. Den fungerar som ett instrument för att utforska naturens osäkerhet snarare än att bara beräkna en version av den.

Likt alla försök att sammanfatta teorin på området är ovanstående starkt förenklat. För en något mindre förenklad sammanfattning rekommenderas denna 30-minutersfilm från 3blue1brown.

Så hur långt bort är den här tekniken?

De senaste åren har flera stora teknikbolag tagit viktiga steg framåt. IBM och Google har byggt maskiner med över hundra stabila qubitar. I teorin växer kvantdatorers beräkningspotential exponentiellt med antalet qubitar, men i praktiken är nuvarande system ännu långt ifrån att överträffa klassiska superdatorer.

Tillförlitligheten är än så länge mycket låg och systemen är extremt känsliga. Till exempel så kräver de en temperatur mycket nära den absoluta nollpunkten (-273 grader) för att fungera. Startupbolag som Rigetti och IonQ experimenterar med alternativa teknologier såsom jonfällor som inte kräver lika låg temperatur.

Faktum är att kvantdatorer fortfarande befinner sig i sin allra tidigaste fas, långt ifrån den skala som krävs för vardaglig användning. Som vi ska se i nästa artikel har tekniken dock redan en påverkan på vår nutid.

Det bör också sägas att kvantdatorer inte kommer vara överlägsna klassiska datorer på allt. De kan väntas komplettera klassiska datorer, ungefär som GPU:er en gång gjorde för parallella beräkningar.

Inom ett decennium eller två spås kvantdatorer användas som specialiserade verktyg inom forskning, energi, logistik och läkemedelsutveckling. Varför just inom dessa områden? Frågan tar oss tillbaka till skillnaden i funktion mellan klassiska datorer och kvantdatorer. I nästa artikel tittar jag närmare på vilka algoritmer som faktiskt blir snabbare med hjälp av kvantberäkning.

//Emil