Selvom utallige forskere verden over arbejder på at udvikle kvantecomputere, så har man på det teoretiske niveau haft en meget mangelfuld viden om, hvad der gør, at kvantecomputere for visse problemer har mulighed for at regne eksponentielt hurtigere end konventionelle computere.
Det redegør Joseph Emerson fra University of Waterloo i Canada sammen med tre kolleger for i en ny artikel publiceret online af det videnskabelige tidsskrift Nature – hvor de samtidig fortæller, at de nu har fundet svaret.
Det er det noget mystiske begreb kvantekontekstualitet, som til trods for, at det har været kendt gennem næsten 50 år, uden for snævre fagkredse ikke er nær så omtalt som eksempelvis det beslægtede begreb entanglement, der er forbundet med sammenfiltrede kvantetilstande for to partikler eller systemer.
Kvantekontekstualitet vender vi tilbage til.
Entanglement kan ikke være hele forklaringen
De fleste beskrivelser af kvantecomputere og de små kvantecomputere, som findes i dag, benytter entanglede partikler, som er bragt i en superposition af to kvantetilstande, der beregningsmæssigt kan repræsentere henholdsvise ‘0’ og ‘1’.
Først ved en måling af en af de to entanglede partikler kollapser bølgefunktionen, for at bruge fagsprogets terminologi, og partiklen vil repræsentere enten ‘0’ eller ‘1’, og dens entanglede makker vil repræsentere den modsatte værdi.
En lang række eksperimenter og teoretiske studier har dog vist, at et begreb som kvantediskord eller kvanteuoverstemmelse også kan give beregningsmæssige fordele.
Hvor det i praksis er meget vanskeligt at opretholde entanglement mellem partikler, så er kvantediskord mere anvendeligt i praksis. Der er dog stadig knyttet en del spørgsmål til, hvordan og hvornår kvantediskord kan udnyttes i praksis.
Teori og eksperimenter omkring kvantediskord viser dog, at entanglement nok er anvendeligt for kvantecomputere, men det kan ikke være det grundlæggende begreb.
Destillation af magiske tilstande
For at omgå problemer med støj, der ødelægger velpræparerede kvantetilstande som entanglement, anvender man i kvantecomputere en teknik baseret på fejlkorrigering, der kendes som Magic State Distillation (MSD).
Joseph Emerson og co. har nu gennemført et bevis for, at kun sådanne magiske tilstande, der baserer sig på kvantekontekstualitet, giver en beregningsmæssig gevinst i kvantecomputere.
Kontekstualitet dækker over, at i kvantesystemer kan man eksempelvis ikke måle et ‘rigtigt’ spin for partiklen. Måleprocessen har betydning for, hvilket spin man kan måle.
I en pressemeddelelse fra University of Waterloo forklarer Joseph Emerson forskellen mellem klassiske og kvantesystemer på denne måde.
Forestil dig, at du har et spillekort med bagsiden opad. Det kan enten være rødt eller sort.. Der er to mulige udfald, når du vender kortet.
Forestil dig nu, at du skal placere ni kort i tre rækker og tre søjler. Kvantemekanikken forudsiger, at der skal være et lige antal kort i hver række og et ulige antal kort i hver søjle. Men det er umuligt at placere kortene på denne måde. Forklaringen er, at kvantemålinger ikke kan fortolkes, som om de åbenbarer en forudbestemt egenskab, som når man vender et spillekort.
Kontekstualitet er begrebet, der mere præcist beskriver dette forhold.
Det fik sin formelle betydning og indhold i forbindelse med det såkaldte Kochen-Specker no-go teorem fra 1967, der som Bells teorem fra 1964 har relation til debatten mellem Einstein og Bohr i 1930’erne om kvantemekanikkens fundament.
Qubit, qutrit og qudit
I artiklen i Nature betragter forskerne mere generelle kvantesystemer end systemer baseret på qubit, der dækker over, at kvantetilstanden kan repræsentere 0 eller 1.
Der er intet i vejen for, at kvanteinformation kan repræsentere tre tilstande, så taler man om en qutrit, eller mere generelt D-tilstande, og så taler man om en qudit.
Det formelle bevis i artiklen viser, at for alle systemer baseret på qudit med et antal tilstande givet ved et ulige primtal (3, 7, 11 osv.) er kontekstualitet et nødvendigt krav for kvanteberegninger baseret på magic state destillation.
For det mere interessante tilfælde med qubit (D=2) er beviset ikke fuldendt.
Stephen Bartlett fra University of Sydney i Australien skriver i en kommentar i Nature, at det kan skyldes, at den anvendte metode ikke har været direkte brugbar til at behandle dette tilfælde, eller det kan dække over noget dybere. Her er stadig noget for teoretikerne at arbejde med.
Han peger dog på, at det ikke kun er en teoretisk tilfredsstillelse, at man nu kender en forbindelse mellem kontekstualitet og kvantecomputere.
»Det kan gøre det muligt at finde bedre arkitektur for kvantemaskiner,« skriver Stephen Bartlett.
Joseph Emerson selv mener, at indsigten kan være med til at sætte et mål for, hvad eksperimentalfysikere skal opå, hvis de skal bygge en kvantecomputer, der er anvendelig i praksis.
Leave a Reply