Kvantdatorn ställer till det

Enkla beräkningar med kvantdatorer har redan utförts, men det har varit enkla saker som att räkna ut att 15 är lika med 3 multiplicerat med 5. Det är bara intressant som bevis för att tekniken fungerar.

Men om det går att bygga kraftfulla kvantdatorer får det dramatiska konsekvenser. Särskilt för datasäkerhet.

All kryptering på internet blir nämligen värdelös.

Banktransaktioner och hemliga meddelanden går då att läsa i klartext – förutsatt att man har en kvantdator.

Kryptering på internet bygger nämligen på matematiska beräkningar som i dag tar oerhört lång tid att utföra. Ta ett hundrasiffrigt tal, som i själva verket är produkten av två femtiosiffriga primtal.

Du vet att det hundrasiffriga talet används för kryptering. Det är ingen hemlighet vilket tal det är. De två femtiosiffriga talen är däremot hemliga. Om du kan räkna ut vilka de två talen är så är det en barnlek att knäcka krypteringen.

Hur lång tid tar det att pröva alla femtiosiffriga tal för att hitta det rätta?

Med en vanlig dator: många år, om du inte har en osannolik tur.

Med en tillräckligt kraftfull kvantdator: någon sekund.

Det är därför som inte alla ser fram emot ett genombrott för kvantdatorerna.

Kvantfysiken är vetenskapligt och ingenjörsmässigt prövad tusentals gånger. Många uppfinningar som vi använder i vardagslivet kan bara förklaras med kvantfysik, till exempel lasern och transistorn.

Ändå är kvantfysiken mystisk i den bemärkelsen att forskarna inte kan rita upp en modell som åskådliggör vad som händer.

Om två personer spelar tennis så vet vi var tennisbollen befinner sig hela tiden. Med tillräckligt mycket information om ett slag med en tennisracket kan vi räkna ut vilken väg bollen tar och hur snabbt den rör sig. Vi skulle kunna räkna ut var bollen befinner sig varje tusendels sekund.

Om vi i stället skickar i väg en foton kan många saker hända. Allt vi kan beräkna är sannolikheten för att fotonen ska upptäckas på en viss plats vid en viss tidpunkt. Mäter vi vid den platsen vid den valda tidpunkten så kanske det finns en foton där, kanske inte. Så beter sig inte tennisbollar.

Sannolikhet i kvantfysik är dessutom ingen vanlig sannolikhet. I vanlig sannolikhet blir summan av alla möjligheter 100 procent. Om sannolikheten för att något ska hända är 40 procent är sannolikheten för att samma sak inte ska hända 60 procent.

I kvantfysiken kan summan av sannolikheterna för olika händelseförlopp bli över 100 procent.

Hur går det till? Det går inte att förklara, bara att beskriva. Men en konsekvens är att en partikel kan ha två oförenliga egenskaper på samma gång.

Superposition kallas det. Det är ett fenomen som är grundläggande för kvantdatorer.

Elektroner har till exempel en egenskap som kallas för spinn. Det har inget att göra med spinn (rotation) i vanlig bemärkelse, spinn är bara ett ord som forskarna har valt för att beskriva en mätbar egenskap.

Spinntronik är en tillämpad vetenskap som går ut på att använda elektroners spinn för lagring av data. Spinn åt ena hållet står för en etta, spinn åt andra hållet står för en tvåa [fel - ska vara nolla].

Men så har vi det här med superposition.

Under speciella omständigheter kan man få elektronerna att spinna åt båda hållen samtidigt.

Superposition är inget obestämt tillstånd, utan det är verkligen både och.

Om vi håller fast vid att det ena spinnet betyder 1 och det andra spinnet betyder 0 har vi alltså en informationsbärare som är etta och nolla på samma gång. En sådan etta/nolla kallas för kvantbit, på engelska qubit.

Peter Shor, en amerikansk matematiker, var den förste som beskrev hur man skulle programmera en dator som räknar med ettor och nollor i superposition.

Peter Shor publicerade sin algoritm 1994. Sedan dess har konsten att programmera kvantdatorer kommit långt. Nu behövs bara kvantdatorer.

Ibland sägs det att en kvantdator genomför många matematiska beräkningar på samma gång.

Det är inte korrekt.

Snarare kan man säga att kvantdator genomför en enda beräkning, men på många tal samtidigt. Vi har ju inte vanliga ettor och nollor, vi har partiklar som representerar ettor och nollor på samma gång.

Kvantdatorn kan ses som ett filter som reducerar antalet tänkbara lösningar på ett problem till ett hanterbart fåtal. När de roterande slantarna har passerat genom kvantdatorn har de flesta ”kollapsat” och landat som ettor och nollor. Bara ett fåtal fortsätter att spinna. Det är enkel matematik att pröva vilka av de återstående möjliga lösningarna som är den rätta.

Sean Barrett och Thomas Stace har visat att kvantdatorer inte är så kinkiga som man tidigare trott. Upp till en fjärdedel av kvantbitarna kan krångla utan att beräkningarna blir fel.

– Vi har också visat att 90 procent av förbindelserna mellan komponenterna kan krångla utan att kvantdatorn slutar att fungera, säger Thomas Stace i ett pressmeddelande.

Det blir konstigare och konstigare, men kontentan är att en fungerande kvantdator kan stå klar inom några år.