kvantecomputer
En kvantecomputer er en computer baseret på kvantemekaniske bits, også kaldet qubits. Det forventes, at kvantecomputere i fremtiden ville kunne udføre en lang række yderst krævende beregninger, som ikke er mulige med de nuværende, konventionelle computere. Ideen om kvantecomputere blev udviklet af fysikere i slutningen af 1900-tallet, og efter årtusindskiftet har teknologiske og videnskabelige fremskridt gjort det muligt at fremstille de første helt elementære kvantecomputere med et begrænset antal qubits.
Konventionelle computere er baserede på bits, der kan have værdien 0 eller 1, og som kan være repræsenteret af en henholdsvis høj eller lav spænding i et elektrisk kredsløb. Information lagres og manipuleres i computeren som bit-strenge af formen 010010...
En kvantecomputer benytter sig på lignende vis af kvantemekaniske bits, der hver især er repræsenteret af to mulige kvantetilstande, som man benævner som |0> og |1>. Det kunne fx være spinnet på en elektron, der kan pege op eller ned, eller polariseringen af en lyspartikel. En afgørende forskel er, at qubits også kan være i en superposition af de to kvantetilstande, således at |0>+|1> også er en mulig kvantetilstand for en qubit. Tilsvarende kan to qubits være i kvantetilstande såsom |0>|0>, |0>|1>, (|0>+|1>)|0>, (|0>+|1>)(|0>+|1>) og |1>|0>+|0>|1>. Især den sidste tilstand er speciel, idet det er en "sammenfiltret" kvantetilstand, hvor man ikke længere kan tilknytte en kvantetilstand til de to qubits hver for sig. Sådan en tilstand er et eksempel på det kvantemekaniske fænomen kaldet entanglement, og i mange kvantealgoritmer udnytter man netop entanglement for at kunne udføre hurtige beregninger.
Kvantecomputere blev først beskrevet i 1980'erne, bl.a. af den amerikanske fysiker Richard P. Feynman. I det følgende årti blev adskillige kvantealgoritmer udviklet, der viste, at kvantecomputere i princippet kan løse en række problemer, som praktisk talt ville være umulige med en konventionel computer. Fx kan en kvantecomputer søge i en usorteret database meget hurtigere end en konventionel computer. Man forventer også, at en kvantecomputer vil kunne primtalsfaktorisere meget store tal og derved bryde nuværende krypteringsmetoder. På samme tid vil en kvantecomputer kunne gøre brug af kvantekryptering, som i princippet er ubrydelig.
Inden for logistik og optimering forventes det, at kvantecomputere fx vil kunne løse "the travelling salesman problem," hvorved man forsøger at fastslå den korteste rute mellem en række punkter, fx byer, som en handelsrejsende skal besøge. Derudover vil kvantecomputere kunne bruges til at simulere andre kvantesystemer og derved finde anvendelser inden for kvantekemi og måske endda til udviklingen af nye typer medicin. Da både kvantecomputere og kvantealgoritmer stadig er under udvikling, er det svært at fastslå alle fremtidige anvendelsesområder, og det er også muligt, at anvendelsen af kvantecomputere vil blive mere (eller mindre) begrænset end forventet.
Kvantecomputere kan realiseres i en række forskellige fysiske systemer, der hver især har deres fordele og ulemper. Inden for faststoffysikken er der platforme, som baseres på superledende qubits, der udnytter Josephson-effekten, eller spinnet af elektroner, der er fanget i kvantepunkter. Inden for atomfysik og kvanteoptik er der kvantecomputere, som benytter sig af ioner, der er fanget i partikelfælder, og hvis kvantetilstande kan kontrolleres med laserlys. Kvantecomputere kan også baseres på kvantetilstande af lyspartikler.
De forskellige platforme har det til fælles, at man skal beskytte de skrøbelige kvantetilstande fra vekselvirkninger med deres omgivelser, og derfor arbejder man typisk med meget lave temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. På samme tid skal man dog også have adgang til de enkelte qubits, så man kan manipulere dem og udlæse deres kvantetilstand.
En række firmaer har produceret kvantecomputere med over 100 qubits, bl.a. IBM, Google og Fujitsu. De har derved taget de første skridt mod en decideret kvantecomputerindustri.