Maskinen som fort kan bli overlegen

Når fremtidens teknologi er tema, har kvantedatamaskinen vært nesten like etterlengtet som flyvebilen. Men det er mye vanskeligere å skjønne hva den kan brukes til, eller hva den i det hele tatt er. Her får du et lynkurs.

Den vanlige datamaskinen ble kjent som PC da den havnet på kontorpulten. Kvantedatamaskinen forkortes QC (quantum computer), og vil kanskje aldri bli allemannseie. Innmaten i en QC må beskyttes svært godt, i praksis ofte av et «kjøleskap» større enn det du har på kjøkkenet.

For å forstå hvorfor, må du vite noe om qubits. Den grunnleggende enheten for datalagring i en PC kalles bit, og en QC har qubits. Selv om bare to bokstaver skiller dem, er det helt ulike fenomener.

En bit kan være i en tilstand av 0 eller 1, mens en qubit kan innta alle mulige posisjoner mellom 0 og 1, eller 0 og 1 samtidig. I en PC handler dette om strøm som slippes eller ikke slippes gjennom transistorer på en mikrochip. Alt du gjør på en PC utløser sekvenser av slike strømsignaler som får maskinen til å utføre rett handling.

I en QC består «hjernen» av bitte små partikler som oppfører seg kvantemekanisk. Men partiklene inntar ikke alltid flere tilstander samtidig, såkalt superposisjon. For å oppnå dette brukes ulike metoder, som å senke temperaturen nær det absolutte nullpunkt og begrense kontakten med omverden.

Å få en QC til å virke handler altså om å isolere og manipulere partikler så de kan brukes som qubits, og det er en stor utfordring. Alt fra temperatursvingninger til elektromagnetisk stråling kan føre til kollaps av superposisjonen. Jo flere qubits, jo vanskeligere er det å holde systemet i riktig tilstand. For tiden jobber forskere med ulike materialer og metoder for å lage qubits av elektroner, fotoner, atomer og molekyler.

Sammenlignes med første flytur

På grunn av sine «mange ansikter» kan en qubit håndtere mer informasjon enn en bit. Qubits har også en helt annen evne til samarbeid. Når flere qubits filtrer seg sammen, dobles maskinens beregningsevne for hver nye qubit. Kapasiteten øker altså eksponentielt, der en PC bare øker regneevnen lineært for hver ekstra bit.

Tre hundre sammenfiltrede qubits kan utføre flere parallelle beregninger enn det fins atomer i universet slik vi kjenner det. Dette betyr at kvantedatamaskiner kan utvikle seg mye raskere enn klassiske datamaskiner, når vi først får taket på teknologien. Det virker som om vi ikke helt har fått det enda.

I år startet universitetet OsloMet prosjektet Quantum Hub, for å fremme samarbeid mellom forskning og industri om teknologien. OsloMet ble eier av Norges første QC i fjor, men den hadde bare to qubits. Kraftigere maskiner har konkurrert om å oppnå «kvanteoverlegenhet», det vil si å løse en oppgave som en klassisk superdatamaskin ikke kan løse innen rimelig tid.

Høsten 2019 hevdet Google at deres QC Sycamore hadde brukt 200 sekunder på en beregning som ville tatt 10 000 år med verdens raskeste superdatamaskin. Syncamore hadde 53 qubits, men flere var skeptiske til påstanden om den store overlegenheten.

Konkurrenten IBM mente at den samme beregningen kun ville tatt to og en halv dag med en klassisk superdatamaskin. Uansett var det en imponerende prestasjon. The Washington Post sammenlignet det med Wright-brødrenes første flytur fra 1903, som varte i 12 sekunder.

Fra 50 qubits og oppover skal en QC kunne slå dagens beste superdatamaskiner. Men en QC kan ikke gjøre hva som helst bedre enn en klassisk datamaskin. Den har ingen fordeler for vanlige bruksområder som nettsurfing, video og tekstbehandling. En QC er først og fremst flinkere til å analysere et tonn med data og muligheter samtidig.

Ber du en PC gå inn i en labyrint og finne utgangen, vil den prøve hver eneste mulige rute og utelukke alle gjennom prøving og feiling til den finner veien ut. Prosessen kan ta lang tid, og lagring av hver mislykkede rute belaster maskinens minne.

Ber du en QC finne veien gjennom en labyrint, vil den prøve alle veier samtidig, og finne utgangen på et blunk. En QC vil ikke erstatte en PC, og vi trenger vanlige datamaskiner for å behandle og tolke resultatene fra kvantedatamaskinen.

Fremskritt og trusler

Hva slags praktisk nytte har en fungerende QC med høy kapasitet? Den kan studere interaksjonen mellom atomer og molekyler i ekstrem detalj, noe som kan gi oss nye materialer og medisiner i rekordfart. Ikke minst kan medisiner bli mer individuelt tilpasset. Kanskje kan vi lage bedre batterier, noe vi til de grader trenger for å kunne erstatte fossil energi med fornybar.

Værvarsling kan bli bedre, så vi lettere kan forutsi ekstremvær. Vi kan få mer detaljerte klimamodeller og bedre innsikt i hvordan vi forebygger klimaendringer. Den optimale reiseruta blir lettere å beregne, slik at varer og folk kommer fortere fram. Analyse av enorme mengder forbrukerdata vil gjøre det lettere for de som vil påvirke oss å skreddersy kommunikasjonen. Og dermed er vi over på de mørkere sidene av teknologien.

Har du bare hørt én ting om kvantedatamaskiner, er det nok at de lett kan knekke dagens krypteringskoder og passord. Kryptografi sørger for sikkerheten på alt fra sosiale medier til Skatteetatens registre og forsvarets servere. Foreløpig fins ingen maskin som kan knekke slik kryptering innen rimelig tid, men det haster å utvikle tiltak mot kvantetrusler, skrev magasinet Computerworld i august.

Tysklands føderale etat for informasjonssikkerhet spår at en QC som kan knekke dagens kryptering vil være på markedet innen 2030. SINTEF-forsker Franz Fuchs mener teknologien vil slå gjennom om 5-15 år, og da må vi være godt forberedt. Fuchs leder Norges første kompetansesenter for kvanteteknologi, som NTNU, SINTEF og Universitetet i Oslo startet opp i fjor.

Det store kappløpet

I sommer annonserte det amerikanske National Institute of Standards and Technology (NIST) at de vil lansere en ny standard for kryptografi som er sikker mot kvantedatamaskiner. Den skal være klar til bruk i 2024.

Forhåpentlig trenger en vanlig bruker bare å oppdatere apper og tjenester for å «kvantesikre» dem. Men problemene slutter ikke der. Fremtidens QC kan muligens bli uslåelig på børsen, noe som gir uoversiktlige økonomiske konsekvenser, skriver spaltistene Lars Nyre og Bjørnar Tessem i Dag og Tid.

Bare fantasien setter grenser for skrekkscenarioer og muligheter, men vi vet enda ikke om kvantedatamaskiner kan realiseres som en etablert teknologi i stor skala. Kappløpet om å bygge den første maskinen til praktisk bruk er blitt en av de store vitenskapelige utfordringene i vår tid, med tusenvis av involverte fysikere og ingeniører. Hittil har kvantedatamaskiner kun gjort beregninger uten særlig nytteverdi. Men det er et stort fremskritt fra idéstadiet, der teknologien lenge befant seg.

Ideen om å bruke kvantemekaniske fenomener til regneoppgaver ble formelt lansert i tidsskriftet International Journal of Theoretical Physics i 1982, i artikkelen «Simulating Physics with Computers» av den amerikanske fysikeren Richard P. Feynman. Trenger du et påskudd for å samle nerdevenner til fest, kan du dermed feire 40-årsjubileet i år.

Reklame