Hur kan molekyler räkna?

Det framgår av notisen att datorn består av ett glasrör innehållande en triljon molekyler, var och en uppbyggd av fem fluoratomer och två koldito. För en icke-naturvetare uppstår då massor med frågor!

Till exempel: hur vet man att den klarar av att faktorisera talet 15? Klarar den av alla tal under 15 också? Eller är det bara rent teoretiskt den klarar denna typ av beräkningar?

Det står vidare att Isaac Chuang ”byggt” en kvantdator. Det förefaller mig som om han FYLLT ett glasrör med fluor- och kolatomer. I vilket fall: hur gjorde han? En mig närstående biolog uppger att en triljon molekyler har liten massa. Kunde man inte tryckt ner litet till och gjort större beräkningar?

En humanists spontana reaktion blir ju närmast att det är ett under att ett glasrör med något gulaktigt alternativt gulaktigt och genomskinligt klarar av att räkna ut någonting över huvud taget!

Dan-Erik Westerdahl
Fil kand (historia)

Svar:

När man säger order dator så tänker man nog främst på datorburken på bordet men naturen har många strängar på sin lyra. Just nu försöker många fysiker lära sig spela på den minsta av klaviaturer. De vill göra beräkningar med hjälp av enskilda atomer och molekyler. Intresset beror inte bara på att det följer mikroelektronikens trend att göra beräkningar i allt mindre skala med datorchips med allt fler transistorer packade på samma chipsyta. Ytterligare en anledning är att naturen i form av kvantfysiken medger helt nya och principiellt mer kraftfulla beräkningsvägar. Ett sådant exempel är att dela upp stora tal i sina minsta möjliga primtal. En kvantdator kan principiellt dela upp tal i primtal mer effektivt än dagens datorer.

Isaac Chuangs kvantdator består av en speciell sorts kol-fluormolekyl som placeras i en apparat som liknar den magnetkamera som används inom medicinen för att ta bilder inuti kroppen. Alla atomer och molekyler har egenskaper som små magneter. Det innebär att om man lägger på ett starkt magnetfält vill de ställa in sig efter detta. Lägger man därefter på ett annat magnetfält som varierar med tiden, kan man få magneterna att spinna runt i takt med fältet. För vissa frekvenser, eller takter i tiden, blir svängningen extra stark, precis som man från en stämd pianosträng får resonans för grundtoner och övertoner. För att få fluormolekylen att göra en beräkning, likt att få en symfoniorkester att spela ett visst stycke, måste det till ett nothäfte och en dirigent. Nothäftet och dirigenten blir här en speciell sekvens av radiopulser som får styra hur molekylerna spinner.

Nu visar det sig att det är svårt att mäta på enstaka molekyler. För att få tillräckligt stark signal måste man därför använda många molekyler, i Chuangs fall en triljon molekyler. Hur stora tal som kan faktoriseras beror dock inte på mängden molekyler, utan på hur många radiofrekvenser man kan få atomerna att spela, eller analogt hur många tangenter det finns på pianot. En svårighet med att gå från en molekyl till många är dock att få alla molekylerna att samtidigt svänga i takt. Kanske är det litet som en musiklärare som försöker få ordning på en klass busiga pianoelever?

Chuangs fluormolekyldator kan i dag faktorisera talet 15=5*3, eller mindre tal. Var den praktiska gränsen uppåt för denna beräkningsmetod går vet man ännu inte. Men ju större tal man vill arbeta med, desto svårare blir det att syntetisera fram en lämplig molekyl med de rätta tonerna.

Anders Karlsson
Professor i kvantfotonik, Kungl Tekniska Högskolan