Samlevejledning til din nye kvantecomputer kan downloades her - næsten!

Kvantecomputere vil være noget småskitteras, når de en gang bliver til noget - ik'? Nix! I det mindste kommer de første til at fylde noget i retning af 100 gange 100 meter, hvis man skal tro dagens artikel i Science Advances (1. februar 2017). IFAs Klaus Mølmer er medforfatter på artiklen. Så grib juvelérfilen og kvanteloddekolben, ryd parkeringspladsen og se at komme i gang!

31.01.2017 | Ole J. Knudsen

En kvantecomputerenhed med ionfældeteknik i fuld størrelse. Credit: Ion Quantum Technology Group, University if Sussex

Et internationalt forskerhold fra University of Sussex (UK), Google (USA), Aarhus Universitet (Danmark), RIKEN (Japan) og Siegen Universität (Tyskland) har idag afsløret den første praktiske byggevejledning til en kvantecomputer - det, som vil blive Jordens kraftigste computer.

Artiklen ‘Blueprint for a microwave trapped ion quantum computer’ af B. Lekitsch, S. Weidt, A.G. Fowler, K. Mølmer, S.J. Devitt, Ch. Wunderlich, og W.K. Hensinger offentliggøres i tidsskriftet Science Advances [Sci. Adv. 3, e1601540 (2017)] og hele artiklen kan hentes helt gratis her. Det er ikke nødvendigt at have abonnement.

Hensinger og Lekitsch med prototypen til computeren, og så det enkle og overskuelige testudstyr.

I artiklen i det ansete tidsskrift ‘Science Advances’ finder man en faktisk byggevejledning, som kan bruges til at konstruere en maskine i fuld størrelse. På visse områder vil den være kraftigere end nogen, som hidtil er fremstillet.

Basis for computeren er atomare ioner fanget i fælder, og med dem vil man kunne udføre elementære regneoperationer, såkaldte kvante-gates. Det er en teknik, som oprindeligt er udviklet på Aarhus Universitet for over et årti siden, hvor forskerne brugte lasere, men i den nye version er laserne delvist erstattet af mikrobølgefelter. Fysisk håndterer man atomare ioner, så de kommer til at udgøre en såkaldt overfladekode (surface code). Via den kan man genindsamle information, som er lagret i ionerne, selv hvis nogen af dem er gået tabt, eller er blevet forstyrrede af fejlprocesser. Alle beregninger sker ved at flytte enkeltioner frem og tilbage, så de vekselvirker med deres naboioner, og flytningerne sker ved at variere mikrobølgefelter.

Lidt vejledning inden du går i garagen

Samlevejledningen i artiklen er en stor mængde identiske moduler, som kan sammensættes til et system af en vilkensomhelst størrelse. Tidligere har forskerne overvejet at bruge optiske fibre til at forbinde de individuelle komponenter i store computeropbygninger. Det nye her er, at man forbinder modulerne via elektriske felter, som kan transportere de enkelte ioner korte afstande fra modul til modul. Med den teknik vil man få transmissionshastigheder imellem de enkelte kvanteregneenheder, som er 100 000 gange hurtigere end hvad man er istand til idag med lyslederteknologi.

Den nye byggevejledning er udarbejdet at et internationalt hold under ledelse af eksperimentalfysikeren Winfried Hensinger på University of Sussex i England. Han i for øjeblikket igang med at bygge de første prototyper på moduler: "I mange år sagde folk, at det var komplet umuligt at bygge en fungerende kvantecomputer. Med det arbejde, vi her har udført, har vi ikke blot vist, at det kan lade sig gøre, men vi giver også helt konkrete anvisninger på, hvordan man faktisk kan bygge en fungerende maskine i fuld størrelse."

Klaus Mølmer tilføjer: "Hvert af modulerne er 9 x 9 centimeter, og i eet af disse fanges der næsten 1300 atomer. Hvis vi bygger et helt anlæg af moduler sammen til en størrelse på 100 gange 100 meter kan vi fange og håndtere lidt under en milliard atomer. Systemet vil være selvkorrigerende, så det kan regne rigtigt, selv hvis der sker 1% fejl på hvert atom. Denne type kvantegate for atomare ioner blev opfundet af Andreas Sørensen og jeg selv for 16 år siden. Vi brugte den gang lasere til at styre systemet og også til signalbehandlingen. I denne nye version bruges der mikrobølger og magnetfelter, og det gør det uhyre meget lettere at opsætte og styre de mange moduler."

Basis for selve ideen om en kvantecomputer forklarer Klaus Mølmer her:

"Siden midt 1990’erne har vi rundt omkring i Verden arbejdet med at bygge en kvantecomputer, som udnytter, at atomare partikler kan være flere steder på samme tid, og derfor kan  lagre og regne på flere tal på samme tid, hvis de bruges som databits. Dermed kan man altså på en enkelt maskine med en enkelt regneoperation løse samme opgave med mange input  i stedet for at køre programmet igen og igen.

 Forskere har lavet mange teoriforslag og i praksis demonstreret de elementære operationer på enkelte og ganske få bits,  men altid i en laboratoriesituation på en prototype med kun enkelte databits.

 Vores artikel er en rigtig ingeniørartikel , hvor vi har vi designet en fuldt færdig  maskine som kan løse de svære opgaver som vi har talt om i årevis.

Vi forslår et modulært design, hvis mindste elementer allerede er gennemtestede, og vi har kun brugt eksisterende og demonstreret teknologi og processer, som vi nu foreslår at bygge sammen.

Artiklen rapporterer altså ikke et egentligt nybrud men er snarere et første realistiske forsøg på at kombinere de tilgængelige  løsninger og ingredienser, som her og nu er bedste, og vurdere hvad der skal til for at bygge en rigtig stor computer, der kan bruges til noget nyttigt og svært.

Her er de trin, som skal til, hvis man vil bygge en kvantecomputer af "vores" slags:

1. En kvantegate for atomare ioner, opfundet af Anders Sørensen og mig selv for 16 år siden. Den har til dato den mest præcise to- og fler-bit regneoperation demonstreret i noget system.

2. En senere indsigt: at vores gate, som blev foreslået med et arrangement af laserlys, også lader sig gennemføre med mikrobølger – det er netop blevet vist  af to af medforfatterne på artiklen. Mikrobølgemetoden er meget robust og nemmere at udføre i stor skala.

3. En særlig kodning, hvor mange atomer tilsammen husker ganske få bitværdier, på en sådan måde at selv, hvis man taber enkelte  atomer, kan man altid reparere tilstanden, så ingen data er gået tabt. To af forfatterne har været pionerer i at udvikle denne teoretiske kodning, og jeg har selv lavet det forslag, vi giver i artiklen til, hvordan vi kan implementere den lettest muligt med atomerne.

4. En egentlig ingeniørmæssig konstruktion af et apparat, der kan huse en milliard atomer, som alle skal kunne flyttes omkring af mikrobølger, og vekselvirke med deres naboer. Især mine eksperimentelle kolleger har gået designet igennem i sømmene, fundet optimale materialer, beregnet strømforbrug, behov for køling mm. Vi har simuleret hvor robust det er overfor designfejl og er kommet frem til et monster af et apparat, som dog ikke er principielt sværere et bygge end fx Facebooks nye datacenter i Odense.

Det er sådan set bare at gå igang", slutter professor Mølmer.

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen