En av de st?rste og mest spektakul?re mulighetene med kvanteteknologi er kvantedatamaskiner. De kan endre fremtiden v?r.
Kvantedatamaskiner kan gj?re visse typer komplekse beregninger sv?rt raskt, beregninger som det er vanskelig eller umulig ? utf?re p? dagens datamaskiner.
– Hele v?r moderne verden er basert p? beregninger. Og behovet vokser mye fortere enn kapasiteten, sier postdoktor Gunnar Lange p? Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved UiO.
– Potensialet er enormt med kvanteberegninger, bekrefter professor Joachim Mathiesen, direkt?r for Niels Bohr-instituttet p? K?benhavns Universitet.
Rett f?r pandemien skrev fysikkprofessorene Kjetil B?rkje og Lars M. Johansen ved Universitetet i S?r?st-Norge at Googles kvantedatamaskin brukte 200 sekunder p? en beregning som ville ha trengt 10 000 ?r p? verdens raskeste datamaskin. Det vil si halvannen milliard ganger raskere. Men denne hastigheten var ekstraordin?r. Oppgaven var ? l?se et s?rt spesialtilfelle.
– Bohr-instituttet har n? f?tt 200 millioner euro for ? utvikle en helt ny kvantedatamaskin, forteller Joachim Mathiesen.
– Denne kvantedatamaskinen skal kunne utf?re beregninger sv?rt mye raskere enn dagens datamaskiner.
Planen er ? ha kvantemaskinen klar i 2034. De tekniske utfordringene st?r i k?.
– Vi er enn? ikke fremme. I f?rste omgang utvikler vi de materialene som trengs for ? lage den, sier Joachim Mathiesen.
Beregningssamfunn
Behovet for store beregninger h?res kanskje ut som noe bare akademikere er interessert i, men store deler av samfunnet v?rt er avhengig av komplekse beregninger.
– Aktuelle bruksomr?der kan v?re alt fra ruteplanlegging for autonome skip, oppdagelse av finansiell svindel, portef?ljeforvaltning og optimering av forsyningskjeder, sa konserndirekt?r Trond Runar Hagen i SINTEF Digital p? h?stens NHO-seminar om kvanteteknologi.
Andre bruksomr?der er komplisert logistikk, slik som ? 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 v?re mulig ? simulere stabiliteten til vingene under sv?rt ekstreme forhold. Ikke s? dumt med tanke p? at klimaendringene gj?r stormene enda verre, poengterer Morten Hjorth-Jensen, professor i beregningsfysikk p? UiO.
N? kan du med flyskrekk lese videre. Kvantedatamaskiner kan ogs? bety noe for deg den dagen du skulle v?re s? uheldig ? bli syk.
– Kvanteberegninger vil bli viktig for ? utvikle nye medisiner. Med lynraske datamaskiner kan vi simulere hundretusenvis av medisinske eksperimenter, forteller professor Jan W. Thomsen, tidligere leder av Bohr-instituttet og n? leder for Quantum Computing Programme i Novo Nordisk Foundation i K?benhavn.
– Forestill deg at du skal bygge en bro. Da bygger du ikke ?tte broer for ? se hvilke av dem som fungerer best. Du simulerer dem p? datamaskinen og ser hvilken brokonstruksjon som er den beste. I den medisinske verden m? du teste ut ?100 000 broer?. Da trenger vi langt mer regnekraft enn det vi har i dag, forklarer Jan W. Thomsen.
Medisinsk forskning
I dag er det mulig ? simulere hvordan sm? molekyler fungerer. Det skal ikke v?re mange atomer i en kjemisk modell f?r det er vanskelig ? regne p? dette. Med kvantedatamaskiner vil det v?re mulig ? simulere store molekyler.
– Komplekse numeriske beregninger p? molekyler gj?r det mulig ? oppdage nye egenskaper. Det er viktig for ? utvikle nye medisiner, sier professor Susanne Viefers p? Fysisk institutt ved UiO.
– Da vil det bli mulig ? finne en mer presis medisin som er spesifikt rettet mot en bestemt del av DNA-molekylet, legger Jan W. Thomsen til.
Han dr?mmer om muligheten til ? kunne ta innersvingen p? sykdommen ALS.
– Hvis vi kan simulere hele DNA-molekylet, vil vi kanskje kunne f? has p? sykdommen ved ? kombinere kvanteberegninger og kunstig intelligens, h?per Thomsen.
Jan W. Thomsen poengterer at kvanteberegninger ogs? kan brukes til ? lage helt nye materialer med helt spesielle egenskaper.
Energiforbruket er ogs? viktig. Behovet for regnekraft har ?kt i takt med behovet for kunstig intelligens. Tunge beregninger krever mye energi. Det ?ker behovet for str?m. Med mye raskere beregninger kan energiforbruket bli sv?rt mye lavere.
Selv om kvantedatamaskiner kan gj?re 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 bruksomr?der, men der de kan brukes, vil de v?re overlegne, presiserer hun.
Kvantebits
Det har skjedd en enorm utvikling i kvanteteknologien siden 1980-tallet. Den gangen var det ikke mulig ? isolere enkeltelektroner og enkeltatomer.
– I dag har vi muligheten til ? eksperimentere med enkeltelektroner, sier Morten Hjorth-Jensen.
Det er helt n?dvendig for ? lage kvantedatamaskiner. De er bygd opp av noe som kalles for kvantebits, med den popul?re forkortelsen Qubits. Uheldigvis er Qubits vanskeligere ? kontrollere enn de klassiske bitsene som finnes i dagens datamaskiner.
Det er dessuten sv?rt 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 ? m?le en egenskap til en av de sammenfiltrete partiklene, f?r man informasjon om denne egenskapen til alle de andre partiklene, selv om de skulle befinne seg langt fra hverandre.?
Hvis Qubitsene ikke klarer ? 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 ? kontrollere enn bitsene i klassiske datamaskiner. Alle kvantebits kan i prinsippet v?re sammenfiltret med hverandre, og det er manipuleringen av denne sammenfiltringen som gir kvantemaskinene kraft, forklarer Gunnar Lange.
En Qubit kan ha tilstanden 0 eller 1. I praksis kan dette handle om energitilstanden til ett elektron. N?r et elektron f?r tilf?rt energi, flytter det seg fra en grunntilstand til en eksitert tilstand. N?r elektronet havner tilbake i en grunntilstand, avgir det energi. Energien vil v?re et foton med en helt bestemt b?lgelengde.
– Det spesielle med kvantecomputere er at du kan manipulere denne tilstanden.
Tilfeldigheter
?– Hver gang du m?ler tilstanden, kollapser systemet. Du kan derfor m?le Qubiten mange ganger. Noen ganger f?r du 0, andre ganger 1, forklarer Gunnar Lange.
M?lingene m? derfor gj?res mange ganger. Hver gang er svaret usikkert.
– Du finner svaret ved ? ta gjennomsnittet av alle m?lingene, forteller Morten Hjorth-Jensen.
Dette handler med andre ord om sannsynligheter. Poenget er ? kj?re programmene om og om igjen.
– Jo flere kj?ringer, desto bedre blir det statistiske grunnlagsmaterialet. Til slutt beregner du middelverdien, forteller Hjorth-Jensen.
?Det ? bygge en kvantedatamaskin har vist seg ? v?re fryktelig vanskelig.
– Ikke glem at det ogs? tok lang tid ? lage klassiske datamaskiner. Selv om idéen fantes allerede p? 1800-tallet, tok det hundre ?r f?r datamaskinene var gode, sier Gunnar Lange.
Iskaldt, bokstavelig talt
Den kvantemaskinl?sningen som fungerer best i dag, bruker noe som kalles for superledende materialer. Dette er en type materialer som leder str?m uten motstand. Teknologien er dessverre ganske upraktisk. Superledende materialer fungerer best n?r de kj?les ned til nesten minus 273,15 grader, som er den lavest oppn?elige temperaturen i universet.
– Hver gang man gj?r noe med systemet, stiger temperaturen litte grann. Da vil st?y fra omgivelsene p?virke m?lingene. Det er dessuten krevende ? opprettholde s? lave temperaturer over lang tid.
Men som Gunnar Lange sier:
– Dette er nok voksesmerter.
Det er dessuten vanskelig ? koble sammen mange nok Qubits i superledende materialer fordi det er begrenset hvor mange Qubits som kan v?re n?r 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 s? 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 oppst?r n?r systemene skal utvides.
– Det som i teorien virker temmelig rett frem, er ikke enkelt ? f? til i den fysiske verden, forteller Gunnar Lange.
Dagens st?rste kvantedatamaskiner har i dag rundt 100 Qubits. Studenter ved UiO kj?rer allerede egne spesiallagde programmer p? disse maskinene.
– Hvis dette skal fungere, m? alle Qubitsene kunne 澳门葡京手机版app下载e samtidig. Forel?pig er det ingen som har klart ? ha presis kontroll p? mer enn ett par Qubits samtidig. Men jeg har stor tro p? at ingeni?rene skal klare ? 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 ?kt kapasitet med 10 ekstra Qubits og en million ganger ?kt kapasitet med 20 ekstra Qubits. Men dette er i teorien. I praksis st?r problemene i k?.
Det m? dessuten lages egne algoritmer (en kokebok med matematiske oppskrifter) som styrer det hele. Det jobber fysikere, informatikere og matematikere med n?.
– Noen av de algoritmene som allerede er utviklet, trenger tusen Qubits. S? mange Qubits i én og samme maskin fins ikke enn?, forteller Morten Hjorth-Jensen.
– Hvor langt er vi kommet om ti til tjue ?r?
– Da har vi kanskje maskiner med noen tusen logiske Qubits. Vi kan komme langt med det, sier Jan W. Thomsen.
Mange av algoritmene p? kvantedatamaskiner m? spesialprogrammeres.
– Hvis du matematisk kan redusere et nytt problem til et kjent problem, kan du l?se flere problemer, p?peker Gunnar Lange.
Dette fagomr?det kalles for algoritmeteori.
Tekstbehandlingen vil ikke g? 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 st?y. Den mest skadelige typen st?y er det som kommer utenifra, slik som lys, temperatursvingninger og elektromagnetiske felt. Da slutter ikke bare Qubitsene ? kommunisere med hverandre. De begynner ogs? ? snakke med verden utenfor.
– Da mister vi litt kontroll p? systemet. Hvis vi er veldig uheldige, blir hele systemet kaos.
En av l?sningene er ? bruke noen av Qubitsene til ? oppdage feil i andre Qubits eller sm?re ut informasjonen over flere Qubits.
– Da blir systemet mer robust.
I kvanteteknologien er det stor forskjell p? hva som fungerer i teorien og i praksis.
– I prinsippet kreves det ikke mye ? lage én Qubit. Qubiten m? ha to energiniv?er, godt separert fra omverdenen, og det m? finnes en god m?te ? kontrollere Qubiten p?, sier Gunnar Lange.
Det vanligste er ? bruke lasere til ? manipulere tilstandene i Qubits. Det er ikke mangel p? systemer i naturen med to energiniv?er.
– Det var disse tilstandene i elektroner som f?rte til at kvantemekanikken ble oppdaget. Det er noe dypt intellektuelt tilfredsstillende at oppdagelsen av disse diskrete energitilstandene sparket i gang hele kvanteteorien.
Kvantedatamaskiner
- Kvantedatamaskiner kan l?se komplekse problemer som det er vanskelig eller umulig ? l?se med dagens klassiske datamaskiner.
- Kvantedatamaskiner er sv?rt vanskelig ? konstruere. Utfordringen er ? f? kvantebitsene til ? kommunisere sammen.
- For hver ny kvantebit dobles beregnings-kapasiteten. Med ti nye kvantebits kan kapasiteten ?kes tusen ganger.
- Kvantedatamaskiner kan brukes til alt fra ? designe bedre og mer presise medisiner til ruteplanlegging og komplisert logistikk.