En av de største og mest spektakulære mulig- hetene med kvanteteknologi er kvantedatamaskiner. De kan endre fremtiden vår.
Kvantedatamaskiner kan gjøre visse typer komplekse beregninger svært raskt, beregninger som det er vanskelig eller umulig å utføre på dagens datamaskiner.
– Hele vår moderne verden er basert på beregninger. Og behovet vokser mye fortere enn kapasiteten, sier postdoktor Gunnar Lange på Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved UiO.
– Potensialet er enormt med kvanteberegninger, bekrefter professor Joachim Mathiesen, direktør for Niels Bohr-instituttet på Københavns Universitet.
Rett før pandemien skrev fysikkprofessorene Kjetil Børkje og Lars M. Johansen ved Universitetet i Sørøst-Norge at Googles kvantedatamaskin brukte 200 sekunder på en beregning som ville ha trengt 10.000 år på verdens raskeste datamaskin. Det vil si halvannen milliard ganger raskere. Men denne hastigheten var ekstraordinær. Oppgaven var å løse et sært spesialtilfelle.
– Bohr-instituttet har nå fått 200 millioner euro for å utvikle en helt ny kvantedatamaskin, forteller Joachim Mathiesen.
– Denne kvantedatamaskinen skal kunne utføre beregninger svært mye raskere enn dagens datamaskiner.
Planen er å ha kvantemaskinen klar i 2034. De tekniske utfordringene står i kø.
– Vi er ennå ikke fremme. I første omgang utvikler vi de materialene som trengs for å lage den, sier Joachim Mathiesen.
Teknologien som kan endre synet på verden
Beregningssamfunn
Behovet for store beregninger høres kanskje ut som noe bare akademikere er interessert i, men store deler av samfunnet vårt er avhengig av komplekse beregninger.
– Aktuelle bruksområder kan være alt fra ruteplanlegging for autonome skip, oppdagelse av finansiell svindel, porteføljeforvaltning og optimering av forsyningskjeder, sa konserndirektør Trond Runar Hagen i SINTEF Digital på høstens NHO-seminar om kvanteteknologi.
Andre bruksområder er komplisert logistikk, slik som å optimere flytrafikken i et overbelastet europeisk luftrom.
En annen viktig mulighet – men dette avsnittet er bare for deg som ikke lider av flyskrekk:
– Hvis du har sittet i et fly under forferdelig turbulens, har du sikkert sett at vingene beveger seg opp og ned. Ikke alle vingene er testet ut i en vaskeekte vindtunnel. De fleste vingene er modellert i en simulator. Med kvanteberegninger vil det være mulig å simulere stabiliteten til vingene under svært ekstreme forhold. Ikke så dumt med tanke på at klimaendringene gjør stormene enda verre, poengterer Morten Hjorth-Jensen, professor i beregningsfysikk på UiO.
Nå kan du med flyskrekk lese videre. Kvantedatamaskiner kan også bety noe for deg den dagen du skulle være så uheldig å bli syk.
– Kvanteberegninger vil bli viktig for å utvikle nye medisiner. Med lynraske datamaskiner kan vi simulere hundretusenvis av medisinske eksperimenter, forteller professor Jan W. Thomsen, tidligere leder av Bohr-instituttet og nå leder for Quantum Computing Programme i Novo Nordisk Foundation i København.
– Forestill deg at du skal bygge en bro. Da bygger du ikke åtte broer for å se hvilke av dem som fungerer best. Du simulerer dem på datamaskinen og ser hvilken brokonstruksjon som er den beste. I den medisinske verden må du teste ut «100.000 broer». Da trenger vi langt mer regnekraft enn det vi har i dag, forklarer Jan W. Thomsen.
FBI: Slik tar hackere over e-postkontoen din – selv med flerfaktorautentisering
Medisinsk forskning
I dag er det mulig å simulere hvordan små molekyler fungerer. Det skal ikke være mange atomer i en kjemisk modell før det er vanskelig å regne på dette. Med kvantedatamaskiner vil det være mulig å simulere store molekyler.
– Komplekse numeriske beregninger på molekyler gjør det mulig å oppdage nye egenskaper. Det er viktig for å utvikle nye medisiner, sier professor Susanne Viefers på Fysisk institutt ved UiO.
– Da vil det bli mulig å finne en mer presis medisin som er spesifikt rettet mot en bestemt del av DNA-molekylet, legger Jan W. Thomsen til.
Han drømmer om muligheten til å kunne ta innersvingen på sykdommen ALS.
– Hvis vi kan simulere hele DNA-molekylet, vil vi kanskje kunne få has på sykdommen ved å kombinere kvanteberegninger og kunstig intelligens, håper Thomsen.
Jan W. Thomsen poengterer at kvanteberegninger også kan brukes til å lage helt nye materialer med helt spesielle egenskaper.
Energiforbruket er også viktig. Behovet for regnekraft har økt i takt med behovet for kunstig intelligens. Tunge beregninger krever mye energi. Det øker behovet for strøm. Med mye raskere beregninger kan energiforbruket bli svært mye lavere.
Selv om kvantedatamaskiner kan gjøre beregningene mye raskere samtidig som de bruker mindre energi enn dagens datamaskiner, mener Susanne Viefers at kvantedatamaskinene aldri vil kunne erstatte vanlige datamaskiner.
– Kvantedatamaskiner vil bare kunne brukes i spesielle bruksområder, men der de kan brukes, vil de være overlegne, presiserer hun.
Kvantebits
Det har skjedd en enorm utvikling i kvanteteknologien siden 1980-tallet. Den gangen var det ikke mulig å isolere enkeltelektroner og enkeltatomer.
– I dag har vi muligheten til å eksperimentere med enkeltelektroner, sier Morten Hjorth-Jensen.
Det er helt nødvendig for å lage kvantedatamaskiner. De er bygd opp av noe som kalles for kvantebits, med den populære forkortelsen Qubits. Uheldigvis er Qubits vanskeligere å kontrollere enn de klassiske bitsene som finnes i dagens datamaskiner.
Det er dessuten svært viktig at Qubitsene snakker sammen. Det kan skje med en viktig kvantemekanisk egenskap som kalles for sammenfiltring. Sammenfiltrete partikler vekselvirker med hverandre. Og som UiO-professor Johannes Skaar skriver i Store norske leksikon: «Ved å måle en egenskap til en av de sammenfiltrete partiklene, får man informasjon om denne egenskapen til alle de andre partiklene, selv om de skulle befinne seg langt fra hverandre.»
Hvis Qubitsene ikke klarer å snakke sammen, er de mindre effektive enn dagens bits i klassiske datamaskiner.
Gunnar Lange er intervjuet om dette i podcast-serien Kvantespranget.
– Kvantebits er vanskeligere å kontrollere enn bitsene i klassiske datamaskiner. Alle kvantebits kan i prinsippet være sammenfiltret med hverandre, og det er manipuleringen av denne sammenfiltringen som gir kvantemaskinene kraft, forklarer Gunnar Lange.
En Qubit kan ha tilstanden null eller en. I praksis kan dette handle om energitilstanden til ett elektron. Når et elektron får tilført energi, flytter det seg fra en grunntilstand til en eksitert tilstand. Når elektronet havner tilbake i en grunntilstand, avgir det energi. Energien vil være et foton med en helt bestemt bølgelengde.
– Det spesielle med kvantecomputere er at du kan manipulere denne tilstanden.
Har laget «kvante-sikker» maskinvare
Tilfeldigheter
– Hver gang du måler tilstanden, kollapser systemet. Du kan derfor måle Qubiten mange ganger. Noen ganger får du null, andre ganger en, forklarer Gunnar Lange.
Målingene må derfor gjøres mange ganger. Hver gang er svaret usikkert.
– Du finner svaret ved å ta gjennomsnittet av alle målingene, forteller Morten Hjorth-Jensen.
Dette handler med andre ord om sannsynligheter. Poenget er å kjøre programmene om og om igjen.
– Jo flere kjøringer, desto bedre blir det statistiske grunnlagsmaterialet. Til slutt beregner du middelverdien, forteller Hjorth-Jensen.
Det å bygge en kvantedatamaskin har vist seg å være fryktelig vanskelig.
– Ikke glem at det også tok lang tid å lage klassiske datamaskiner. Selv om idéen fantes allerede på 1800-tallet, tok det hundre år før datamaskinene var gode, sier Gunnar Lange.
Iskaldt, bokstavelig talt
Den kvantemaskinløsningen som fungerer best i dag, bruker noe som kalles for superledende materialer. Dette er en type materialer som leder strøm uten motstand. Teknologien er dessverre ganske upraktisk. Superledende materialer fungerer best når de kjøles ned til nesten minus 273,15 grader, som er den lavest oppnåelige temperaturen i universet.
– Hver gang man gjør noe med systemet, stiger temperaturen litte grann. Da vil støy fra omgivelsene påvirke målingene. Det er dessuten krevende å opprettholde så lave temperaturer over lang tid.
Men som Gunnar Lange sier:
– Dette er nok voksesmerter.
Det er dessuten vanskelig å koble sammen mange nok Qubits i superledende materialer fordi det er begrenset hvor mange Qubits som kan være nær nok til at de kan kommunisere. Det er derfor ikke sikkert at superledende materialer vil bli brukt i fremtidens kvantedatamaskiner.
Noen hundre holder
Qubits inneholder likevel så mye informasjon at man kanskje bare trenger noen hundre av dem for at kvantedatamaskiner skal regne raskere enn dagens datamaskiner.
Det fins en haug med forslag fra fysikere til hvordan kvantedatamaskinene kan lages. Men problemene oppstår når systemene skal utvides.
– Det som i teorien virker temmelig rett frem, er ikke enkelt å få til i den fysiske verden, forteller Gunnar Lange.
Dagens største kvantedatamaskiner har i dag rundt 100 Qubits. Studenter ved UiO kjører allerede egne spesiallagde programmer på disse maskinene.
– Hvis dette skal fungere, må alle Qubitsene kunne samarbeide samtidig. Foreløpig er det ingen som har klart å ha presis kontroll på mer enn ett par Qubits samtidig. Men jeg har stor tro på at ingeniørene skal klare å bygge en slik dings en dag, sier Lange.
Poenget med kvantedatamaskiner er at beregningskapasiteten dobles for hver ny Qubit. Raskt regnet betyr dette tusen ganger økt kapasitet med ti ekstra Qubits og en million ganger økt kapasitet med 20 ekstra Qubits. Men dette er i teorien. I praksis står problemene i kø.
Det må dessuten lages egne algoritmer (en kokebok med matematiske oppskrifter) som styrer det hele. Det jobber fysikere, informatikere og matematikere med nå.
– Noen av de algoritmene som allerede er utviklet, trenger tusen Qubits. Så mange Qubits i én og samme maskin fins ikke ennå, forteller Morten Hjorth-Jensen.
– Hvor langt er vi kommet om ti til tjue år?
– Da har vi kanskje maskiner med noen tusen logiske Qubits. Vi kan komme langt med det, sier Jan W. Thomsen.
Mange av algoritmene på kvantedatamaskiner må spesialprogrammeres.
– Hvis du matematisk kan redusere et nytt problem til et kjent problem, kan du løse flere problemer, påpeker Gunnar Lange.
Dette fagområdet kalles for algoritmeteori.
Tekstbehandlingen vil ikke gå raskere med kvantedatamaskiner. Gunnar Lange ser heller for seg at vanlige datamaskiner kan sende store regneoppgaver til kvanteregnesentre.
– Dette er fremtiden som jeg tror de fleste ser for seg. Men en liten advarsel: Et av de store problemene med kvantedatamaskiner er støy. Den mest skadelige typen støy er det som kommer utenifra, slik som lys, temperatursvingninger og elektromagnetiske felt. Da slutter ikke bare Qubitsene å kommunisere med hverandre. De begynner også å snakke med verden utenfor.
– Da mister vi litt kontroll på systemet. Hvis vi er veldig uheldige, blir hele systemet kaos.
En av løsningene er å bruke noen av Qubitsene til å oppdage feil i andre Qubits eller smøre ut informasjonen over flere Qubits.
– Da blir systemet mer robust.
I kvanteteknologien er det stor forskjell på hva som fungerer i teorien og i praksis.
– I prinsippet kreves det ikke mye å lage én Qubit. Qubiten må ha to energinivåer, godt separert fra omverdenen, og det må finnes en god måte å kontrollere Qubiten på, sier Gunnar Lange.
Det vanligste er å bruke lasere til å manipulere tilstandene i Qubits. Det er ikke mangel på systemer i naturen med to energinivåer.
– Det var disse tilstandene i elektroner som førte til at kvantemekanikken ble oppdaget. Det er noe dypt intellektuelt tilfredsstillende at oppdagelsen av disse diskrete energitilstandene sparket i gang hele kvanteteorien.
Artikkelen ble først publisert på Apollon.