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
|
