Það er við hæfi að skrifa grein um skammtatölvur núna því í ár halda Sameinuðu þjóðirnar upp á 100 ára afmæli skammtafræðinnar. Það var einmitt árið 1925 þegar Werner Heisenberg og Max Born lögðu grunninn að nútíma skammtafræði, ásamt Erwin Schrödinger og Paul Dirac sem í kjölfarið birtu sínar grundvallarkenningar árin 1926 og 1927. Í þessari stuttu grein er ekki hægt að kafa djúpt ofan í undraheima skammtafræðinnar, en í staðinn reynum við að draga fram þau atriði hennar sem liggja að baki eiginleikum skammtatölva.

Ef skammtakerfi getur verið í tveimur ástöndum, sem við köllum  |0〉og  |1〉, þá er kerfinu lýst með svokölluðu bylgjufalli  |Ψ〉= a₁ |0〉 + a₂ |1〉, þar sem fastarnir a₁  og a₂  uppfylla  |a₁|² + |a₂|² = 1. Slík tveggja ástanda kerfi kallast skammtabitar (e. qubits). Hér strax glittir í töfrana, því að kerfið er blanda af  |0〉og  |1〉, sem er ekki mögulegt í klassískum kerfum þar sem ástandið er annað hvort 0 eða 1. Skammtakerfi geyma því upplýsingar um bæði ástöndin á sama tíma. Ef við höfum tvo skammtabita tengda saman þá er bylgjufallið gefið með

|Ψ〉=a₁ |0,0〉+ a₂ |0,1〉+ a₃ |1,0〉+a₄ |1,1〉

Fjöldi mögulegra ástanda er núna 2²=4. Ef við hefðum N skammtabita þá er fjöldi mögulegra ástanda 2^N. Þessi eiginleiki skammtakerfa útskýrir að hluta mikla reiknimöguleika skammtatölva: Þær geta geymt á sama tíma upplýsingar um 2^N ástönd í bylgjufallinu. Klassískar tölvur geta bara geymt eina bitaröð í minninu í einu. Klassískar tölvur geta bara geymt eina bitaröð í minninu í einu. Annar mikilvægur eiginleiki skammtakerfa er svokölluð samfléttun (e. entanglement) sem lýsir því hvernig skammtakerfi geta deilt upplýsingum sín á milli þó langt sé á milli kerfanna. Þetta er eiginleiki sem Einstein hafði efasemdir um og kallaði „spooky action at a distance“ en síðan þá hefur þessi eiginleiki verið sannreyndur sem grundvallareiginleiki náttúrunnar. Ef svo er þá er eðlilegt að spyrja: Ef samfléttun og það að skammtakerfi geta verið í blöndu af tveimur ástöndum eru grunneiginleikar náttúrunnar – af hverju sjáum við ekki undarlegar afleiðingar þessa í daglegu lífi? Ástæðan er sú að skammtakerfi innihalda gífurlegan fjölda agna (rafeinda, róteinda, ljóseinda, o.s.frv.) sem titra og þjóta út og suður og þannig eyða skammta-eiginleikum í daglegu lífi – samanber Schrödinger kötturinn víðsfrægi. Það þarf því að hafa verulega fyrir því að hanna og smíða kerfi sem sýna skammtaeiginleika, hvað þá að búa til skammta-tölvur sem þurfa að vinna nálægt alkuli. Hér í næstu köflum rennum við yfir nokkrar helstu útfærslur á skammtatölvum sem til eru í dag.

IBM Quantum
IBM hefur verið leiðandi fyrirtæki í þróun skammtatölva^[1]. Skammtabitar IBM tölvanna byggja á örsmáum ofurleiðandi eyjum þar sem  |0〉og |1〉og  ástöndin ráðast af fjölda rafeinda á eyjunni. Fyrsta skammtatölvan sem fyrirtækið bauð upp á þjónustu með var IBM Q System One árið 2019 sem samanstóð af 20 skammtabitum. Síðan þá hefur verið ör þróun á tölvum fyrirtækisins. Nýjustu skammtaörgjörvar fyrirtækisins eru Condor sem samanstendur af 1121 skammtabitum og Heron sem þrátt fyrir að hafa einungis 156 skammtabita, státar af mun lægri skekkjutíðni en fyrri skammtatölvur. Seinnihluta árs 2025 áætlar fyrirtækið að bjóða upp á skammtaörgjörvann Nighthawk sem tekur við af Heron og er hluti af metnaðarfullum vegvísi IBM^[2]. Í vegvísinum er stefnt að fyrstu skekkjuleiðréttu skammtatölvunni Starling árið 2029. Sú tölva er áætluð að samanstanda af um 10.000 skammtabitum sem munu mynda 200 villuleiðrétta reikniskammtabita (e. logical qubits). Ef þessi vegvísir gengur upp þá mun það sannarlega marka þáttaskil í sögu skammtatölva.

Ásamt skammtatölvunum þá hefur IBM þróað Python pakkann Qiskit^[3] sem hægt er á þægilegan máta að setja upp skammtarökrásir og keyra þær á skammtatölvum fyrirtækisins, eftir skráningu á IBM Quantum Platform^[4]. Einnig hefur IBM útbúið afar yfirgripsmikið og vandað kennsluefni um skammtatölvur^[5].

Google Quantum AI
Annað stórfyrirtæki sem hefur verið leiðandi í þróun skammtatölva er Google. Skammtatölvur þeirra byggja á ofurleiðandi skammtabitum, líkt og IBM skammtatölvurnar. Árið 2019 hélt fyrirtækið því fram að skammtatölva fyrirtækisins, með 53 skammtabita Sycamore örgjörva, næði að framkvæma reikninga sem engin hefðbundin ofurtölva gæti mögulega framkvæmt. Þessi yfirlýsing var þó gagnrýnd, meðal annars af keppinauti þeirra IBM. Árið 2023 sýndi fyrirtækið að 70 skammtabita uppfærð útgáfa af Sycamore skammtaörgjörvanum, gæti framkvæmt reikninga á nokkrum sekúndum sem tæki hefðbundnar ofurtölvur 47 ár að framkvæma^[6]. Gott er þó að benda á að þessir reikningar hafa lítið hagnýtt gildi.

Þeirra nýjasti skammtaörgjörvi er Willow sem samanstendur af 105 skammtabitum og markaði þau tímamót að örgjörvinn sýndi fram á að mögulegt er að auka villuleiðréttingu með auknum fjölda skammtabita. Google hefur einnig, líkt og IBM, sett fram metnaðarfullan vegvísi fyrir þróun skammtatölva sinna^[7]. Þessi vegavísir stefnir að 1.000.000 skammtabita tölvu árið 2029 sem saman geta myndað 1000 reikniskammtabita.

Microsoft Quantum
Til að vega upp á móti villuáhrifum frá umhverfi á skammtareikninga þá ætla flest fyrirtæki að nota marga skammtabita (~100-1000) til að mynda staka stöðuga reikniskammtabita. Fyrirtækið Microsoft hefur valið að fara aðra sniðuga en áhættusama leið. Skammtabitar þeirra byggja á fræðilegri hegðun rafeinda sem við sérstakar aðstæður mynda svokölluð Majorana ástönd. Þessir skammtabitar eiga samkvæmt fræðilegum reikningum að vera afar stöðugir gagnvart utanaðkomandi áhrifum. Sá galli fylgir þó gjöf Njarðar að það hefur reynst afar erfitt að staðfesta með algjörri vissu tilvist Majorana ástanda með mælingum, þrátt fyrir ítrekaðar tilraunir.

Þegar þessi grein var skrifuð, heldur Microsoft því fram að fyrirtækinu hafi tekist að útbúa skammtaörgjörva sem þeir nefna Majorana 1 sem nýtir skammtabita sem byggir á Majorana ástöndum^[8]. Microsoft hefur þó þótt vera fullfljótfært að koma með þessa yfirlýsingu. Hún er jafnvel í andstöðu við grein fyrirtækisins í vísindatímaritinu Nature^[9], sem tekur fram að ekki sé hægt með fullri vissu að halda því fram að þessi Majorana ástönd hafi verið staðfest. Engu að síður þá er Majorana 1 skammtaörgjörvinn mikilvægt skref í þróun svokallaðra grannfræðilegra (e. topological) skammtatölva.

Intel
Þrátt fyrir að Intel fyrirtækið sé ekki komið eins langt í þróun á skammtatölvum og hin tölvufyrirtækin þá hefur fyrirtækið þróað skammtaörgjörvann Tunnel Falls^[10] sem byggir á spuna rafeinda í kísilskammtapunktum^[11]. Þessi nálgun gæti reynst vel fyrir fyrirtækið þar sem það nýtir sérþekkingu sína á framleiðslu kísilörgjörva til að þróa skammtatölvur með miklum fjölda skammtabita. Stefna fyrirtækisins er að framleiða skammtatölvur með tugþúsundum skammtabita fljótlega eftir 2030.

Önnur markverð fyrirtæki
Fyrir utan fyrrgreind stórfyrirtæki þá er fjöldi annarra smærri fyrirtækja sem eru að þróa mismunandi gerðir skammtatölva. D-Wave Systems^[12] bjóða upp skammtatölvur sem nota svokallaða skammtaglæðingu (e. quantum annealing) þar sem skammtabitar tölvanna eru segulsvið frá ofurleiðandi straumlykkjum. Þessi nálgun er þó afar sérhæfð og nýtist best fyrir lágmörkunarverkefni sem hægt er að umrita sem orku segulkerfa.

Árið 2025 birti fyrirtækið D-Wave grein í tímaritinu Science^[13] þar sem því var haldið fram að tölva frá fyrirtækinu hefði náð að framkvæma reikninga á seguleiginleikum ákveðinna þéttefna sem hefði tekið núverandi hefðbundnar ofurtölvur hundruð þúsunda ára að framkvæma. Þessi staðhæfing hefur þó verið umdeild^[14]. Fyrirtæki líkt og Rigetti^[15] fara svipaða leið og IBM og Google og byggja skammtabitana sína á ofurleiðurum. Hins vegar eru þónokkur fyrirtæki líkt og Continuum^[16], IonQ^[17], Atom Computing^[18] og Pasqal^[19] sem nota kæld atóm sem eru skorðuð af með rafsegulsviði sem skammtabita. Enn önnur fyrirtæki líkt og PsiQuantum^[20] nota ljóseindir sem skammtabita.

Hjá mörgum af þessum fyrirtækjum má kaupa aðgang að skammtatölvum þeirra í gegnum vefþjónustur hjá Amazon^[21] og Microsoft^[22] .

Höfundar:  Dr. Gunnar Þorgilsson, lektor við Háskólann í Reykjavík og Dr. Sigurður I. Erlingsson, prófessor við Háskólann í Reykjavík

Heimilidir:

[1] https://www.ibm.com/quantum

[2] https://www.ibm.com/roadmaps/quantum/

[3] https://www.ibm.com/quantum/qiskit

[4] https://quantum.cloud.ibm.com/docs/en/guides/cloud-setup

[5] https://quantum.cloud.ibm.com/learning

[6] https://www.nature.com/articles/s41586-022-05434-1

[7] https://quantumai.google/roadmap

[8]https://news.microsoft.com/source/features/ai/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/

[9] https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2

^[10]https://www.intel.com/content/www/us/en/research/quantum-computing.html

[11] https://www.nature.com/articles/s41586-024-07275-6

[12] https://www.dwavequantum.com/

[13]https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6285

[14]https://www.scientificamerican.com/article/controversial-quantum-advantage-claim-made-by-computing-firm-d-wave/

[15] https://www.rigetti.com/

[16] https://www.quantinuum.com/

[17] https://ionq.com/

[18] https://atom-computing.com/

[19] https://www.pasqal.com/

[20] https://www.psiquantum.com/

[21] https://aws.amazon.com/braket/

[22] https://azure.microsoft.com/en-us/solutions/quantum-computing