Kategoriarkiv: Blogg

De bättre spektrala artiklarna

Vitsi kvantdatorer är bra, var får man en?

I Majstrandens bostäder är det drygt 300 grader för varmt för kvantdatorn.

En av de största utmaningarna för kvantdatorerna är yttre störningar. Som vi beskrev i förra artikeln är superpositionen, där qubiten är både 0 och 1 samtidigt, oerhört känslig och kollapsar väldigt lätt. Dagens kvantdatorer fungerar vid en temperatur på ca 0.2 K, vilket är ungefär -272.95 C. Även denna rysliga kyla är lite för varmt för att uppehålla superposition. Då superpositionen kollapsar blir din qubit, som ursprungligen var både 1 och 0 samtidigt genom svart kvantmagi, en ”normal” bit med ett definitivt värde (antingen 0 eller 1) och vi förlorar information.

En simpel krets som sammanflätar två qubitar.

En längre krets.

I bilderna ovan syns två olika kretsar som kan implementeras på en kvantdator för att utföra något spännande. Operationen “H” i bilderna sätter en qubit i superposition, och för att uppehålla den så genom hela beräkningen måste vi ha en temperatur som är så nära absoluta nollpunkten som möjligt. Ju längre kretsarna är, desto mer sannolikt är det att det sker ett fel.

En annan begränsning är antalet qubitar som kvantdatorerna har i dag. Några av de större kvantdatorerna, bl.a. Googles och IBMs, har kring 50 qubitar. Även om 50 är rätt så många (för en kvantdator) så finns det beräkningar och problem som skulle kräva storleksordningar flera qubitar. En både lovande och icke-intuitiv egenskap är att en större mängd qubitar tycks hålla superpositionerna bättre.

Trots att vi inte ännu har perfekta kvantdatorer så kan vi redan göra nyttiga saker med dem. Kvantdatorer är inte bra på allt, men de saker de är bra på är de väldigt bra på. Det är i huvudsak två områden där en kvantdator kan briljera:

  1. Simulera kvantmekaniska system. Vår värld är i allmänhet väldigt kvantmekanisk och ofta vill man simulera olika system för att försöka förstå hur världen fungerar. Det har visat sig vara väldigt svårt att simulera sådana system med en klassisk dator eftersom simulationen växer exponentiellt då systemet växer. En kvantdator däremot är i sig ett kvantmekaniskt system, vilket innebär att den kan simulera kvantmekaniska system oerhört mera effektivt än en klassisk dator. Problem i den här kategorin kräver ofta inte heller lika många qubitar som problem i kategori 2.
  2. Optimeringsproblem. En kvantdator kan vara väldigt effektiv på att hitta den “bästa” lösningen till problem. Ett bra exempel av ett optimeringsproblem är travelling salesman – problemet, där en handelsman ska besöka ett visst antal städer genom att gå den kortaste rutten. Problemet är väldigt svårt att lösa för en klassisk dator då antalet städer blir stort, eftersom den måste gå genom alla möjliga sträckor och kolla vilken som blir kortast. Det är för tillfället oklart om en kvantdator kan specifikt lösa travelling salesman – problemet effektivare.

Ett område som redan tagit stor nytta av kvantdatorer är beräkningskemin. Beräkningskemi faller in i kategori 1, d.v.s. att simulera kvantmekaniska system. Det har redan länge existerat algoritmer för att simulera och lösa kemiska problem, men störningarna hindrar fortfarande framsteg. För att besegra dessa tappra störningar har man trollat fram en hybrid kvant-klassisk algoritm för att minska på kretsarnas längd. (Kom ihåg att en kort krets är en stabil krets.) Inom fysiken har man redan lyckats simulera enklare kvantmekaniska system som “Hubbard modellen” eller “Ising modellen” där man simulerar elektroner i gitter.

Nästa artikel avslöjar vad framtiden kan ha att erbjuda. En perfekt kvantdator: Uhka vai mahdollisuus? Stay tuned.

Kalla kvant kristallkronor kör kryptografin kaputt: kapitel 1

Richard Feynman lade fram idén om kvantdatorer på 80-talet och länge har de bara existerat som teori. Det är först nu under de några senaste åren, när all hajp har tagit fart, som vi faktiskt kan börja göra produktiva saker med verkliga kvantdatorer. Men vad är en kvantdator och hur skiljer den sig från en klassisk dator? Varför är hajpen så stor? Vi hoppas kunna besvara några av den nyfikna läsarens frågor med en artikel-trilogi om kvantdatorer.

Kuin kaksi marjaa: ena använder sig av elektroner som i sin rörelse påverkar kvantmekaniska vågor för att lysa upp din vardag och andra är en kvantdator.

Först lite bakgrund inom informatik. En bit är en enhet av information och samtidigt den minsta mängden information som går att representeras, dvs. 0 eller 1. En bit kan implementeras på flera sätt: t.ex. som en mikroskopisk magnetisk sektor på hårdskivan eller som elektrisk laddning i datorns processor. Implementationen av en bit kallas för en fysisk bit.

Okej, nu hoppar vi in i kvantvärlden. Nu kan man ta nytta av så kallad superposition och istället använda sannolikheter för att beskriva information i kvantbitar; qubitar. När en qubit är i superposition av 0 och 1 så är den praktiskt taget bådeoch samtidigt i stället för att vara nåndera. Först då du observerar qubiten så antar den ett definitivt tillstånd och man säger att den kollapsar till 0 eller 1. Detta kan kännas väldigt abstrakt, men det är det underliga formalismen i kvantmekaniken. Qubiten representeras ofta med följande symboler:

där och är sannolikheterna att mäta respektive 0 och 1. T.ex. om a²=0.5 så är det 50 % sannolikhet att du skulle mäta 0 och 50 % sannolikhet att du skulle mäta 1 på din qubit.

Ett centralt fenomen inom kvantdatorer, och kvantmekaniken i överlag, är något som kallas för sammanflätning (eng. quantum entanglement). Det innebär att alla qubitar påverkar varandra med mysko kvantmagi, också känd som ”spooky action at a distance”. Försök inte förstå varför eller hur sammanflätningen fungerar för ingen annan gör det heller.

De oranga rutorna till vänster representerar bitar medan lila rutorna till höger representerar kollapsade qubitar. Märk att en kollapsad qubit innehåller de lika mycket information som en vanlig bit (0 eller 1). Qubitar som är i superposition (dvs. har inte ännu kollapsat) kan dock ligga någonstans där emellan.

Fenomenet innebär att du inte behöver veta enskilda qubitars värde för att veta tillståndet av hela systemet. Mängden processerbar information i en vanlig dator ökar linjärt med antalet bitar, medan i en kvantdator ökar processkraften exponentiellt med antalet qubitar. Så om du lägger till en qubit till din kvantdator så blir den i princip ”dubbelt bättre”. Det här är en av de sakerna som gör kvantdatorn kraftig.

Precis som med klassiska bitar finns det också fysiska qubitar av flera slag. Den vanligaste typen utnyttjar supraledare: material utan elektrisk resistans. Här är dina qubitar olika roterande strömmar i ett supraledande material. De kan rotera antingen medsols eller motsols, där den ena riktningen motsvarar värdet 0 och den andra 1. Genom att utföra mysko kvantoperationer på qubitarna, kan man få dem i en superposition av 0 och 1 samt sammanflätade med varandra. Strömmen går då både medsols och motsols med vissa sannolikheter tills man mäter riktningen hos den. I detta tillstånd kan man använda strömmarna som qubitar för att utföra vissa beräkningar som skulle kräva alltför mycket tid hos en normal dator.

Det här var en liten introduktion till kvantdatorer. I nästa artikel avslöjar vi en massa coola saker man kan göra med dem och hur du kan ha en egen kvantdator hemma hos dig (bara du inte bor i Majstranden).

Hugo & Waffe

Encyklopediers charm och grunda källor

Min morfar hade en encyklopedi, flera volymer av inbundna böcker på högsta hyllan i vardagsrummet i Jakobstad. Jag minns hur jag har bläddrat genom några av volymerna och läst om spaljé, spetälska och spionage. Jag hade tydligen en förkärlek för bokstaven S. Idag saknar jag det uppslagsverk som jag egentligen aldrig hade.

Encyclopedia Britannica. Sista upplagan trycktes 2010.

Internet med hemsidor så som Wikipedia har helt logiskt ersatt dåtidens tryckta encyklopedier. De saknar dock enligt mig det som utgjorde charmen med uppslagsverken. Ifall jag till exempel vill söka upp spektroskopi i en encyklopedi så bläddrar jag eventuellt förbi spelteori och får läsa om hur man kan beskriva strategiska interaktioner mellan rationella beslutstagare med hjälp av matematiska modeller.

Liknande, oavsiktliga faktafynd är svåra att efterlikna på hemsidor som Wikipedia. Det är förstås möjligt att klicka vidare på de blåa länkarna och försvinna ned i Wikipedias kaninhål av information. Det kan dock krävas flera steg för att få tillgång till fakta som inte direkt tangerar den ursprungliga sökningen. Jag behövde dyka ner åtta nivåer för att komma från spektroskopi till spelteori.

Det kan finnas en nackdel med i-förbifarten infångade informations-fragment. I gymnasiet skrev jag en essä om klimatförändringen där jag tog, inte enbart inspiration, utan även viss fakta från katastrof-filmen Day after Tomorrow (2004). Premissen i filmen är att smältande polarisar omkullkastar rådande klimatförhållanden med katastrofala väderfenomen som resultat. Jag baserade långt mina åsikter om möjliga klimatförrändringseffekter på fakta från filmen. Min lärare ifrågasatte med all rätt trovärdigheten hos och användandet av filmen som informationskälla.

Inte den bästa informationskällan för en klimatförändringsessä

För en vecka sedan fick jag ett Twitterinlägg vidarebefordrat åt mig. Inlägget bestod av en retweet innehållande ett urklipp från en okänd text. I texten kommenterar skribenten hur snedvridet det är att geologiska fenomens och från yttre rymden härstammande faktorers påverkan på klimatet inte alls tas med i Finlands och EU:s klimatpolitik.

Jag blev nyfiken på var den ursprungliga texten blivit publicerad och vem som skrivit den. Efter lite googlande visade det sig att texten är skriven av Paavo Väyrynen och var publicerad på hans egen blogg. Väyrynen skriver att han nu i koronatider har haft tid att titta på TV och har den dagen sett på sista avsnittet av ”Uljas universumi” (eng. ”How the universe works”). Avsnittet väckte tydligen ett par åsikter hos Väyrynen som han sen baserar delar av sitt blogginlägg på. (Förtydligande från redaktören: Jag kommenterar endast de åsikter som Väyrynen baserar på ”How the universe works”-avsnittet och inte hans kommentarer på Yles MOT inslag).

Serien är absolut sevärd!

I ”Uljas universumi”-avsnittet beskrivs, enligt Väyrynen, universums skapelse, utveckling och framtid samt information om jordens och månens födelsehistoria. Det är sedan oklart om det är från detta avsnitt Väyrynen tar stöd då han förklarar att Jorden kretsar kring solen på växlande avstånd med växlande axellutning och att solstrålningens intensitet varierar. Vad som åtminstone kommer fram är det faktum att Väyrynen finner det oförståeligt att de ovanstående faktorerna inte tas i beaktande i klimatfrågan, då de enligt honom förklarar de förändringar som hittills har skett i jordens klimat. Ja, det stämmer att de har historiskt sett påverkat och fortfarande påverkar klimatet. Men dessa variationer i Jordens omloppsbana och axellutning följer cykler på 25’000-100’000 år och är ett minimalt bidrag till den klimatförändring vi ser idag. (https://climate.nasa.gov/news/2948/milankovitch-orbital-cycles-and-their-role-in-earths-climate/). Därtill följer inte variationerna i Solens aktivitet den temperaturökning som har observerats under de senaste 100 åren, se bilden nedan .

Temperatur- och solaktivitetsförändringen mellan 1880-2020. Bild: NASA

Utan referenser eller källhänvisningar för att understöda sina påståenden förklarar även Väyrynen hur vi inte vet ifall klimatet blir varmare eller kallare och att vi inte vet koldioxidens andel i en möjlig uppvärmning. Därtill vet vi tydligen inte heller riktningen av växelverkan: stiger temperaturen p.g.a en ökning av koldioxid i atmosfären eller ökar andelen koldioxid p.g.a. stigande temperaturer. Detta är enligt mig farligt felaktiga påståenden. Det finns en världsomfattande koncensus inom klimatforskningen som strider emot Väyrynens påståenden (till exempel NASAs hemsida om frågan:  ”Scientific Consensus: Earth’s Climate is Warming” https://climate.nasa.gov/scientific-consensus/ ).

Jag har ingenting emot att Väyrynen yttrar sina åsikter. Men att maskera dessa åsikter som fakta utan tydlig grund, klingar illa i mina öron. Att människor sedan läser Väyrynens blogginlägg som fakta är ledsamt.

Fakta och åsikter flyter allt oftare ihop i det informations-flödesfyllda samhälle vi lever i. Kritiskt tänkande och ett mod att våga ifrågasätta påståenden är viktiga egenskaper idag. Detta i kombination med en vilja att fördjupa sina kunskaper, djupare än den åttonde länken på Wikipedia. Det krävs ibland mera än att bara bläddra igenom ett uppslagsverk eller se ett TV-program för att förstå hela bilden.

Sebbe H





Här finns några tidigare artiklar som tangerar ämnet:

https://spektrum.fi/spektraklet/si-isbjornar/
https://spektrum.fi/spektraklet/summer-is-coming-2/
https://spektrum.fi/spektraklet/fake-news-och-felmarginaler/