Banner   

Topics:  Fotografi    Rejseliv    Lidt af hvert    Teknikhjørnet    Scrapbogen    Pulterkammeret    Site Map    


Indhold:

-Overordnede-
Fysik & teknik

-Sideordnede-
Newton
Einstein
Bohr
Kvantecomputeren

Kvantecomputeren

En sand multitasker
 

Uforståeligt

Det er blevet sagt at:"Kvantemekanik er ikke noget, man kan forstå - det er noget, man skal vænne sig til".

Hvad der her hentydes til, er den kendsgerning, at atomare partikler (herunder også lyskvanter eller fotoner) kan antage flere tilstande eller befinde sig i flere positioner samtidigt.

Tænk blot på det tidligere omtalte dobbeltspalte eksperiment, hvor en elektron kunne gå gennem to åbninger samtidigt og oven i købet danne interferens med sig selv! Det strider mod den verdensopfattelse, vi normalt har.

I forbindelse med dobbeltspalte eksperimentet så vi også, at forsøger man at måle på elektronen for at finde dens position, så kollapser denne flertydige position til een - nemlig den, vi undersøger.

Der er selve måleprocessen, der jo medfører en udveksling af information med omverdenen, som bevirker, at partiklen (eller bølgen) opgiver sin flertydige natur og 'bestemmer' sig for en og kun en position. De makroskopiske genstande, vi umiddelbart kan iagttage, udveksler til stadighed information med omgivelserne (vi kan jo se på dem), så derfor befinder de sig i blot en tilstand til enhver tid. Så hvis man ikke kan finde sine nøgler, så er det altså ikke kvantemekanikken, der er årsagen!

Traditionelle computere

De computere, vi har på skrivebordet, eller smart-mobilen i lommen laver deres beregninger med tal. Af praktiske grunde benyttes som bekendt et talsystem med kun to cifre 0 og 1; også kaldet det binære talsystem. I computerens kredsløb kan disse to tilstande f.eks. karakteriseres ved tilstedeværelsen af en elektrisk spænding (= 1) eller ingen spænding (= 0). Denne værditildeling er ganske arbitrær og kunne for den sags skyld være den modsatte; det er princippet om kun to mulige tilstande, der er det væsentlige.

En praktisk anvendelig computer må kunne håndtere mange og store tal, det vil sige tal med mange binære cifre. Disse skal kunne puttes ind i makinen, de skal kunne lagres, der skal kunne regnes på dem, og et resultat skal kunne sendes ud til omverdenen.

En computers kapacitet hænger nøje sammen med, hvor mange tilstande, den kan håndtere.

En traditionel computer kan kun gøre en ting ad gangen - når det ser ud som om den kan lave flere ting samtidigt (multi tasking), så er det fup! Computerens store hastighed gør, at man ikke bemærker, at den i virkeligheden først laver lidt af job A, så lidt af job B, og C o.s.v. indtil den tager fat på den næste bid af job A igen. Nogle computere indeholde flere processorkerner; men det er jo også en form for 'snyd', så er der jo reelt tale om flere computere.


Kvantecomputeren

Men hvad nu, hvis ethvert af de cifre tallene i opgaven består af kunne antage flere værdier samtidigt? Så ville computeren jo i sandhed kunne lave flere ting på en og samme tid.

De enkelte binære cifre i nutidens computere kaldes for bits (en bit, flere bits). I kvantecomputeres verden kaldes de ofte for Qubits (= Quantum bits). En sådan Qubit kan ligeledes antage værdierne 0 og 1; men samtidigt!

Tænker vi os en ekstremt simpel kvantecomputer med et instrukstionssæt (de elementære instruktioner, computeren kan tolke og udføre), på bare to instruktioner 0 og 1, og hvis instruktionen '0' betyder "udregn 1 + 1" og instruktionen '1' betyder "udregn 2 + 2", så ville en sådan computer jo kunne udføre begge instruktioner samtidigt, da inputtet kan angives som en Qubit.

En traditionel computer skulle først udføre den ene instruktion og dernæst den anden. Den ville ikke kunne klare dem begge i et hug.

En mere udbygget kvantecomputer med mulighed for at håndtere flere Qubits ad gangen f.eks. 2 ville kunne klare 4 instruktioner samtidigt, en computer med en ordlængde på 16 Qubits kunne klare 65.535 operationer samtidigt. En ordlængde på 32 Qubits kunne klare ikke mindre end omkring 4,3 milliarder operationer ad gangen, og når vi op på 64 Qubits, så er det ufattelige 1,84 * 1019 operationer - så her rykker det!

Men - der er et stykke vej dertil. Heldigvis, er der måske nogen der vil sige.

Slut med nutidens krypteringsmetoder

Det klassiske eksempel, der stort set altid nævnes her, er opgaven med at opløse store tal i faktorer. Hvorfor er det interessant?

Jo - et centralt princip i mange krypteringsmetoder beror på det umulige - eller i det mindste umådeligt ressourcekrævende - i at finde de mulige kodenøgler der kan udledes som faktorer i meget store tal.

Princippet i megen kryptering er brugen af eenvejs funktioner (eng.: trapdoor functions). Det er et regnestykke, der er let at udføre 'forlæns'; men umuligt at udføre 'baglæns'. Det er enkelt at multiplicere to tal; men umuligt bagefter entydigt at regne baglæns og finde de oprindelige faktorer ud fra produktet. Det gælder indtil nogen finder en helt ny matematisk disciplin, der gør det muligt, og det er der mig bekendt endnu ingen, der har. Skulle en matematiker i en efterretningstjeneste ha' fundet en sådan matematisk metode, vil skal den pågældende tjeneste nok vide at holde kæft!

Skal man løse faktoriseringsopgaven, så er der kun den mulighed at prøve sig frem. Hvis produktet f.eks. er et tal med 1000 decimale cifre, så er antallet af mulige faktorer så umådeligt at den krypterede meddelelse sikkert er blevet forældet og uaktuel, inden nogen får knækket den.

Det vil altså sige, indtil kvantecomputeren bliver praktisk anvendelig. Så er det slut med NemID og den slags!

Det er derfor ikke så mærkeligt, at efterretningstjenester og militære myndigheder ret beredvilligt hiver tegnebogen op af lommen, når der skal forskes i kvantecomputere.

Er kvantekryptering nu også helt sikker?

Måske ikke - se evt. denne artikel fra Videnskab.DK.

En Qubit - hvad er det for en fisk?

En Qubit kan have flere fysiske former. Den kan bestå af en elektron (med et spin, hvis retning angiver værdierne) eller en foton, hvor det er polarisationen (lodret eller vandret), der er værdibærende.

Det væsentlige er, at det er en atomar partikel, idet det kun er i denne miniatureverden disse dobbelttilstande kan eksistere.

Hvis man benytter fotoner som Qubits, kan en fotongenerator opbygges i et diamant nanokrystal. Dette er opbygget af en gitterstruktur af kulstof atomer, hvoraf der dog mangler to for at gøre strukturen komplet. Det ene kulstofatom er erstattet med et nitrogenatom. På det andets plads er der et tomrum. Kombinationen af et nitrogenatom og en tom plads i denne gitterstruktur giver anledning til, at en fælles elektron kan bevæge sig i to baner: en med høj energi og en med lavere energi.

Ved at tilføre energi i form af lys, kan elektronen bringes op i banen med den høje energi, hvor den dog kun bliver i kort tid, hvorefter den henfalder til den 'lave' bane under udsendelse af netop en foton.

Denne foton er dog ikke retningsbestemt, og det skal den jo helst være for at være nyttig i kvantecomputeren. Derfor anbringes en nano sølvtråd meget tæt på diamant krystallet. Det viser sig så, at en sådan sølvtråd kan 'fange' fotonen på sin overflade, således at fotonen umiddelbart derefter kan ledes over i en optisk fiber. Lyset (fotonen) svækkes jo ellers, da dæmpningen i sølvtråden er stor.

Da både fotonen - nu i den optiske fiber - kan udvise to polarisationsretninger samtidigt, så er det jo en Qubit. Oven i købet kan den ledes hen et andet sted, da den følger fiberen. Men diamantgitteret med elektronen, der kan befinde sig i to baner, repræsenterer jo også en Qubit; men i en statisk udgave.

Så her har vi jo to meget væsentlige elementer til en kvantecomputer. Men som sagt: Det varer nok noget, inden de bliver lige så almindelige, som nutidens PC'ere!

Oktober 2010

'De Lyse Sider' senest opdateret: Wed Oct 4 11:44:23 2017