En ny generasjon utrolige bildatamaskiner er på vei: Kvark enhetene. Eller kvantedatamaskinen. Kjappere, mindre, og jobber uendelig mye fortere. De kan gjøre selvkjørende bil mulig – om vi vil ha slike. Hvordan?

Av Stein Bekkevold

Det som slår oss først: Hva er en kvark? De er, sammen med leptonene (som elektroner) de minste materiebyggesteinene vi vet om – nå. De ses som punktformede elementærpartikler. De opptrer aldri alene, men i par eller tripletter vi kan se i detektorer. Protoner og nøytronerhar tre stykker hver. Elektroner har ingen.

Udelelig enhet

I fysikken er et kvant (fra latin av quantus) den minste enheten av energi som finnes. Et kvant blir sett på som en udelelig enhet. For eksempel er et foton (partikkel i elektromagnetisk stråling) et lyskvant, da det er den minste enheten av lysenergi (og andre deler av elektromagnetisk stråling) med en bestemt frekvens, som finnes.

Høye energinivåer

Men: Hvordan kan disse drive en datamaskin? Jo: Akkurat som elektronet har en kvark en viss rotasjon –  spinn ½. Spinn er i kvantemekanikk et innebygd fenomen, som i mange elementærpartikler. Atomer kan også ha spinn.

Kvantemekanisk spinn gjør at materialer kan ha magnetisme, så spinn er avgjørende i store deler av dagens teknologi.  Alle sterkt vekselvirkende partikler består dessuten av gluoner og kvark/antikvark par som oppstår og forsvinner spontant i det fysikere kaller kvantefluktuasjoner, spesielt ved høye energinivåer.

Varierer kjapt

Poenget er å bruke dette småtteriet til å addere og subtrahere store mengder informasjon i enorm hastighet. En viss spinnposisjon betyr ja eller på, og en annen nei eller avslått.Akkurat som i en halvleder som leder eller ikke leder strøm. I tillegg kan kvarkposisjonen kjapt variere mellom på og av …

Årsaken

Grunnen til behovet for ultraavanserte datamaskiner var forskning i Big Bang: Den sterke kjernekraften holder atomkjerner sammen, og dagens forskning har god forståelse av materiens natur. Men visse spørsmål – som materien i det tidlige universet – er ikke besvart av fysikerne – og gode datasimuleringer av Big Bang er vanskelig også i de største datamaskinene.

Derfor sjekket forskerne kvantedatamaskiner, i håp om at de kunne kjøre simuleringer. Et team fra kanadiske University of Waterloo og engelske York University klarte å simulere samhandlinger mellom tidlige materiepartikler, med programvarer (regneregler) kalt variasjonsalgoritmer. Da kan de studere atferden til atomkjerner rett etter Big Bang – og granske astrofysiske ting som nøytronstjerner. Dette går ikke i vanlige datamaskiner. Derfor ble de nye tatt i bruk. I forminsket form kan de en dag ta over bilen for deg …

Utfordring

Kvanteberegningene kan ikke kjøres med vanlig program-og maskinvare. En spesielltilnærming som diskretiserer beregningsplass kalles gitter QCD (kvantum kromodynamikk).Dette er å dele inn oppgaven i trinn, intervaller. To underprogrammer gjør dette; ett tar spesifikt for seg tid pluss rom mens det andre jobber i det de kaller tidens kontinuerlige natur.

Alt dette er uhyre komplisert og nevnes bare for å illustrere hvor vrient det hele er. Og derfor tar det tid før du får noe sånt i bilen. Om du da får det …

Hvorfor?

Kvantedatamaskiner kan være en løsning på behovet utviklerne tror de får – systemet må behandle enorme mengder data i fremtiden; poenget er at den selvkjørende bilen må inn i et ekstremt omfattende 3D-system med signaler hulter til bulter – og skal sikkerheten være god nok, må bilen hvert sekund behandle en enorm datamengde, det går ikke i en vanlig bildatamaskin (CPU).

Begrenset

Dagens kvanteprosessorer er små og er bare i begrenset bruk. Dette skyldes mest støyen fra samhandling mellom maskinen og de nære omgivelsene. Men en klasse beregningsrutiner kalt variasjons-kvantealgoritmer har vist seg motstandsdyktige slik at forskere nå bruker disse i mellomstore enheter.

For å summere

En vanlig datamaskin – som i bilens CPU (Central Prosessing Unit) -kjører operasjoner basert på en informasjonsenhet vi kaller en bit. En sånn kan bare ha to verdier, 0 eller 1.

I en datamaskin vises dette som null strøm (0) eller aktiv strøm (1). I en kvantedatamaskin er enheten en kvantebit (også kalt qubit). Denne kan smart nok stå i en blandingstilstand av 0 og 1, altså ikke bare i null eller 1. Når slike sammenfiltres kan noen typer beregninger, som massive datasøk – kjøre mye raskere enn søk i en vanlig datamaskin – om den i det hele tatt orker …

—

BILEN er Toyotas fremtidsprosjekt Odaiba – og dashbordet viser hvordan Contitech tenker seg fremtidens førerinfo – fra kvantemaskin.

Les også: Hva er en flatskjerm? Nye krystaller – skarpe bilder