Vad är en kvantdator? Räknat i kvantbitar och fel

Så långt är alla överens om vad en kvantdator är. Sedan går texterna isär, och de flesta av dem handlar om framtiden, om vad maskinerna ska lösa och när.

Den här artikeln gör tvärtom. Den förklarar vad en kvantbit är och varför den skiljer sig från en vanlig bit, och räknar sedan bara det som är mätt och publicerat. Det räcker längre än man kan tro.

Bit och kvantbit

En bit är en strömbrytare med två lägen, noll eller ett. En vanlig dator är miljarder sådana strömbrytare som slås av och på i en bestämd ordning.⁶ Varje strömbrytare är i ett läge i taget, och det går alltid att titta efter vilket.

En kvantbit följer andra regler. Fram till dess att den mäts kan den befinna sig i en superposition av de två lägena, en viktad kombination av noll och ett.⁶ Först när man mäter faller den till noll eller ett. Den populära formuleringen att en kvantbit "är noll och ett samtidigt" är en förenkling av detta.⁶ Kvantbiten kan vara i en superposition tills den läses av, och superpositionen går att räkna med.

Den andra egenskapen är sammanflätning. Två kvantbitar kan kopplas ihop så att de beter sig som en enda enhet även när de är åtskilda: vad som händer med den ena avgör vad som händer med den andra.⁵ Det är det experiment som fick Nobelpriset i fysik 2022, beskrivet längre ned, och alltså ingen liknelse.⁵

Tillsammans betyder de två egenskaperna att en kvantdator kan hålla många möjligheter öppna på en gång och låta dem påverka varandra innan svaret läses av.⁶ För vissa sorters problem är det en helt annan väg till svaret än att pröva en möjlighet i taget.

Varför den inte är en snabbare vanlig dator

Det vanligaste missförståndet är att en kvantdator är en vanlig dator som räknar fortare. Det är den inte. Den räknar på ett annat sätt, och det sättet passar vissa problem och är oanvändbart för andra. Att skriva ett mejl, visa en film eller summera en kolumn är uppgifter en kvantdator inte gör bättre, och i praktiken inte alls.

Det förklarar också varför jämförelserna i rubrikerna ser ut som de gör. När det står att en beräkning "skulle ta en superdator X år" är det ett resultat från ett bestämt problem, valt för att kvantmaskinen ska vara bra på just det. Sådana tal säger något om det problemet och ingenting om allmän prestanda. Regeln för den som läser dem är enkel: fråga vem som mätte, vilket problem som mättes, och om problemet valdes för ändamålet.⁶ Saknas något av de tre svaren är talet inte värt mer än en rubrik. Den här artikeln använder inga sådana tal.

Sveriges kvantdator, räknat

Sverige bygger en egen kvantdator. Projektet har pågått vid Chalmers tekniska högskola sedan 2018, inom satsningen Wallenberg Centre for Quantum Technology, WACQT, en tolvårig satsning som till största delen finansieras av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och som har fyra huvudområden: kvantdatorer, kvantsimulatorer, kvantkommunikation och kvantsensorer.¹

Enligt högskolans egen redovisning i januari 2023, när testbädden presenterades, var maskinen uppe i 25 kvantbitar.^{1, 7} Projektets mål till år 2029 är 100 kvantbitar.^{1, 7} Det är ett mål som projektet satt för sig självt, och det står här som ett mål, inte som en utsaga om vad som kommer att hända. Antalet kvantbitar är dessutom det tal i den här artikeln som åldras snabbast; det kontrolleras mot högskolans egen redovisning strax före publicering.

Kvantdatorer som går att nå över nätet finns redan på flera håll. Det högskolan själv pekar ut som skillnaden är att testbädden ska bli billigare för svenska användare och att den visar öppet vad som finns inuti maskinen, så att algoritmen kan anpassas efter hårdvaran.¹ Skälet till att en kopia byggs är att originalmaskinen ytterst sällan är ledig, eftersom forskarna ständigt bygger om den.¹ Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse har i ett första skede beviljat testbädden 102 miljoner kronor.¹ I testbädden ingår, utöver datorn, en supportavdelning och testutrustning för utveckling av komponenter.^{1, 8} Planen i januari 2023 var att testutrustningen skulle komma på plats under 2024 och att kvantdatorn för algoritmkörning skulle öppna 2025 med 25 kvantbitar, med uppgradering till 40 efter ett par år.^{1, 8}

En sak till ur högskolans beskrivning förtjänar att nämnas, för den säger något om vad en kvantdator är rent fysiskt. Maskinen kyls av ett aggregat i flera steg, och högskolan visar två av sina forskare när de öppnar aggregatets sista steg.¹

Felet är hela problemet

Varför kvantbitar gör fel

Den svenska maskinens kvantbitar räknas i tiotal.^{1, 7} Orsaken är att de gör fel. En kvantbit tappar sin superposition efter en kort stund, och varje operation på den riskerar att störa den.⁶ Det är ingen barnsjukdom som väntar på bättre komponenter; det är en egenskap hos det kvantbitarna är.

Lösningen som föreslogs redan 1995 heter kvantfelkorrigering: många fysiska kvantbitar kombineras till en enda logisk kvantbit, och felen hos den logiska sjunker när fler fysiska läggs till.^{2, 9} Det fungerar dock bara om de fysiska kvantbitarna redan gör tillräckligt få fel, under ett kritiskt tröskelvärde.² I nästan trettio år hade ingen visat en maskin som låg under tröskeln.^{2, 3}

Vad studien i Nature visade

Ett forskarlag publicerade i tidskriften Nature den 9 december 2024 ett resultat som gjorde det.² På en superledande processor med 105 kvantbitar byggde de en logisk kvantbit av 101 fysiska.² Varje gång de ökade kodens storlek med två steg sjönk den logiska felfrekvensen med faktorn 2,14, med en osäkerhet på 0,02.² Den största koden gav 0,143 procent fel per felkorrigeringscykel, med en osäkerhet på 0,003.²

Det viktigaste talet är kanske det enklaste. Den logiska kvantbiten höll sitt tillstånd i 291 mikrosekunder, med en osäkerhet på 6.² Den bästa fysiska kvantbiten på samma processor höll i 119, och medianen var 85.² Den sammansatta kvantbiten var alltså bättre än sin bästa beståndsdel, med faktorn 2,4 och en osäkerhet på 0,3.² Det är första gången det visats för en kod av den här sorten.^{2, 3} Det man har väntat på i nästan trettio år är den andra saken samma studie visar, att en maskin ligger under tröskelvärdet.^{2, 3}

Hur långt det är kvar

Resten av studien handlar om hur långt det är kvar, och forskarna skriver det själva. Avkodaren som räknar ut vilka fel som inträffat arbetade i realtid med en fördröjning på i genomsnitt 63 mikrosekunder i den mindre av studiens två koder, mot en cykeltid på 1,1 mikrosekunder.² I studiens repetitionskoder, körda på en mindre processor, inträffade ungefär en gång i timmen sällsynta fel som drabbade många kvantbitar samtidigt, alltså en gång per tre miljarder cykler.² Orsaken till dem är enligt författarna ännu inte förstådd. Studien anger att prestandan, om den skalas upp, skulle kunna nå kraven för storskaliga felkorrigerade algoritmer.² Villkoret "om den skalas upp" är författarnas eget. I forskargruppens egen kommentar till studien står också att det vid nuvarande felnivåer kan behövas mer än tusen fysiska kvantbitar per kodrutnät för att nå en logisk felfrekvens på en miljondel, och att ingenjörsutmaningen framåt är enorm.³

Sätt de två talen bredvid varandra. Chalmers redovisade 25 kvantbitar i januari 2023, och en enda felkorrigerad kvantbit av det slaget krävde 101 fysiska i studien från december 2024.^{1, 2} Det är avståndet mellan det som finns och det som skrivs om.

Vad Nobelpriset 2022 belönade

Allt ovan vilar på att sammanflätning är verklig och inte en räknemässig bekvämlighet. Det avgjordes i experiment som fick Nobelpriset i fysik 2022, tilldelat Alain Aspect, John F. Clauser och Anton Zeilinger "för experiment med sammanflätade fotoner som påvisat brott mot Bell-olikheter och banat väg för kvantinformationsvetenskap".⁵ Priset tillkännagavs av Kungliga Vetenskapsakademien den 4 oktober 2022 och delades lika mellan de tre.⁵

Bakgrunden är en fråga som kvantmekanikens grundare grälade om: kan de märkliga sambanden förklaras av att partiklarna bär på dold information från början, så kallade dolda variabler?¹³ På 1960-talet visade John Stewart Bell att frågan går att avgöra med mätningar.^{5, 13} Om det finns lokala dolda variabler kan sambandet mellan ett stort antal mätresultat aldrig överstiga ett visst värde.^{12, 13} Clauser omvandlade idén till ett experiment, och mätningarna bröt tydligt mot Bells gräns.^{5, 12} Aspect utvecklade uppställningen och slöt ett viktigt kryphål, genom att växla mätinställningarna efter att paret lämnat sin källa.^{5, 12} Zeilingers grupp visade kvantteleportation, som flyttar ett kvanttillstånd från en partikel till en annan på avstånd.⁵

Slutsatsen är att kvantmekaniken inte kan ersättas av en teori med lokala dolda variabler.^{12, 13} Sammanflätningen är på riktigt. Akademien framhåller att det i dag finns ett stort forskningsfält som handlar om bland annat kvantdatorer, kvantnätverk och avlyssningssäker kvantkrypterad kommunikation.⁵ Det är fältets grund, fastställd i experiment, och det är så långt den här artikeln följer det.

Vad en kvantdator inte gör i dag

Den knäcker inte dagens kryptering.⁶ Det som har hänt är mer konkret. Standardiseringsorganet NIST har publicerat nya krypteringsstandarder som det beskriver som utformade för att stå emot angrepp från kvantdatorer.^{4, 10} Att en standard har tagits fram med det som utgångspunkt är ett inträffat faktum. När eller om en kvantdator bryter dagens metoder är det inte, och det står inte här.

Den löser inte heller något praktiskt problem åt dig i dag. Det som är mätt och publicerat är en logisk kvantbit som håller längre än sina delar, och en svensk maskin med 25 kvantbitar som företag ska kunna prova.^{1, 2} Resultatet om den logiska kvantbiten publicerades den 9 december 2024. Uppgiften om den svenska maskinens 25 kvantbitar kommer från Chalmers redovisning den 23 januari 2023.¹ De två beskriver olika maskiner.

Vad du bör ta med dig

En kvantbit kan vara i en superposition av noll och ett tills den mäts, och två kvantbitar kan flätas samman så att de beter sig som en enhet.^{5, 6} En kvantdator räknar på ett annat sätt än en vanlig, inte fortare på allt.⁶ Sveriges kvantdator vid Chalmers hade 25 kvantbitar i januari 2023 enligt högskolans egen redovisning, med 100 som projektets mål till 2029, och en kopia byggs som testbädd för företag.^{1, 7} Kvantbitar gör fel, och i december 2024 visades i en publicerad studie att en logisk kvantbit byggd av 101 fysiska håller längre än sin bästa beståndsdel, med faktorn 2,4, första gången det skedde för en kod av den här sorten; forskarna påpekar att det kan behövas fler än tusen per logisk kvantbit bara för att nå en felnivå de själva kallar blygsam.^{2, 3} Att sammanflätning är verklig fastställdes i experiment som fick Nobelpriset i fysik 2022.⁵

Episoden om halvledare, S1:E4 Semiconductors, tar chipet från början: vad det är, varför kisel är materialet, och vad Moores lag sa 1965.

Alla episoder i säsong 1 finns i säsongsöversikten.

Utbildning, inte rådgivning.