Kvantecomputerne kommer – regner millioner ganger så fort som superdatamaskinene
Basert på avanserte fysiske prinsipper kan de løse matematiske problemer på sekunder som verdens største tradisjonelle superdatamaskiner bruker ukesvis på. Science fiction? Tja. Du kan leie tid hos IBM og prøve selv.
I november 2022 ble nobelprisen i fysikk tildelt amerikaneren John F. Clauser, franskmannen Alain Aspect og østerrikeren Anton Zeilinger for deres epokegjørende forskningsresultater innen kvantefysikken. Først Clauser, deretter Aspect og endelig Zeilinger hadde gjennom stadig mer avanserte forsøk blant annet vist at to atompartikler kan oppføre seg “sammenflettet”, det vil si at de kan høre sammen og påvirke hverandre selv om de er langt borte fra hverandre, uten at det er noen som helst slags åpen eller skjult fysisk forbindelse (no hidden variables) mellom dem. Sjekk figur.
Noe slikt er knapt til å begripe for oss som er vant til “vanlig” fysikk der enhver virkning har sin årsak. Vi er i godt selskap, for selv Albert Einstein hadde problemer med å akseptere slik sammenfletting.
Kvantesammenfiltring: Når to partikler er kvantemekanisk sammenfiltret, vil en måling av egenskapene til partikkel A avgjøre hvilke egenskaper partikkel B har, uavhengig av avstanden mellom A og B. (3 fot på illustrasjonen.) I 2011 observerte nobelprisvinner Anton Zeilinger to fotoner som var sammenfiltret selv om de befant seg i henholdsvis La Palma og Tenerife, 143 km fra hverandre. Illustrasjon: National Science Foundation/US Gov.
Men kvantefysikken og nobelprisvinnernes forskning har i løpet av de siste ti årene vist at teoriene ikke bare stemmer, men kan omsettes i revolusjonerende nyvinninger i datamaskinverdenen, nemlig kvantecomputere.
Alt tidlig på 1980-tallet hadde fysikere hevdet at hvis man kunne bygge datamaskiner basert på kvantefysiske prinsipper, ville de kunne regne ufattelig mye raskere enn tradisjonelle datamaskiner; faktisk mange millioner ganger så raskt. Tankespinn, hevdet mange.
Men i 2019 meldte Google at deres kvantecomputer hadde klart å løse en oppgave på 3 minutter og 20 sekunder som en tradisjonell superdatamaskin ville bruke 10.000 år på. Det ble reist tvil rundt Googles resultater, men andre, blant andre IBM og kinesiske forskningsinstitusjoner, har siden oppnådd tilsvarende resultater.
Utrolige muligheter, men også farer
Kapasiteten til kvantecomputere er altså enorm, og forskerne og industrien ser for seg anvendelser innen kunstig intelligens, farmasi, kjemi, produksjon, forsvar, logistikk og kryptering.
Ting skjer i praksis allerede. Eksempelvis opplyser BMW at de i samarbeid med det franske kvantecomputerfirmaet Pasqal foretar materialsimuleringer der man før måtte gjøre fysiske kollisjonstester, og dermed vil kunne spare 6 måneder i utviklingen av nye bilmodeller. Tilsvarende positive muligheter er rapportert fra legemiddelindustrien med vesentlig reduksjon av utviklingstiden for vaksiner og andre medisiner.
Kvantecomputerne kan altså virkelig komme til positiv nytte. Men de representerer også en betydelig fare i gale hender, for eksempel innen datasikkerhet.
Den sterkeste krypteringen som er i vanlig bruk for å hindre datainnbrudd er tofaktor-autentisering, som med bank-ID med kodebrikke. Slik autentisering bygger på RSA-prinsippet som ble oppfunnet av MIT-forskere og patentert i 1983, og har vært regnet som umulig for uvedkommende å dekryptere. En tradisjonell supercomputer vil ifølge Quintessence Labs bruke milliarder av år på å regne seg gjennom mulighetene og foreta dekryptering av de sterkeste RSA-krypteringene.
En kvantecomputer vil imidlertid kunne klare det på få dager.
Om kvantecomputere skriver professorene Jacob Linder, NTNU, Johannes Skaar, UiO og Jan-Petter Hansen,UiB i Store norske leksikon:
“En vanlig datamaskin utfører logiske operasjoner som er basert på en grunnleggende informasjonsenhet som kalles bits. En bit kan kun ha to mulige verdier, enten 0 eller 1. I en datamaskin kan dette representeres som ingen strøm (0) eller strøm (1).
I en kvantedatamaskin er den grunnleggende informasjonsenheten en kvantebit (også kalt qubit). En kvantebit kan være en blandingstilstand av 0 og 1. Når slike informasjonsenheter sammenfiltres med hverandre, viser det seg at noen typer beregninger, f.eks. søking, kan utføres mye raskere enn beregninger basert på en vanlig datamaskin.”
En kvantemekanisk sammenfiltring oppstår ved at to eller flere (atom)partikler vekselvirker, noe som fører til en sterk sammenheng mellom partiklene. Ved å måle en egenskap til en av de sammenfiltrede partiklene får man umiddelbart informasjon om egenskapene til den andre partikkelen, selv om de skulle befinne seg langt fra hverandre.
Dette trodde ikke Albert Einstein kunne være mulig, men årets nobelprisvinnere har ved forsøk vist at teorien stemmer. Jfr. illustrasjon.
Og visstnok enda mye, mye fortere når det gjelder innbrudd i datasystemene til kraftverk, forsvar, vannforsyning og bilcomputere. Og i vissheten om kvantecomputerne ikke er så langt unna, påstås det at hackerne allerede har begynt å lagre krypterte datafiler for senere innbrudd.
Ikke så rart at nettet flommer over av spekulasjoner over temaet “bør vi være redd for at skurker med kvantecomputere bryter inn i bankkontoene våre?” Svarene er omtrent fifty-fifty fordelt på “ja” og “nei”.
Men det er uansett et godt stykke frem i tid. For kvantecomputerne befinner seg foreløpig på laboratoriestadiet, og finnes ikke i kommersielt tilgjengelige bokser du kan skaffe fra Elkjøp eller nettet.
De muliggjorde kvantecomputerne: Amerikaneren John F. Clauser, franskmannen Alain Aspect og østerrikeren Anton Zeilinger utførte hver for seg forsøk som viste at teorien bak kvantefysikken stemmer i praksis. Det ga dem nobelprisen i fysikk i 2022. Foto: Claudio Bresciani/TT/NTB / TT News Agency
Det er nemlig to store konstruksjonsproblemer som må løses før kvantecomputerne kan finne veien til deg og meg. For det første behøves kjøling. Mye kjøling. Ikke fordi de utvikler særlig mye varme, men fordi regneenheten må kjøles ned til like over det absolutte nullpunkt, altså ned til minus 273 grader Celsius. Så nesten alt du ser på bildet med Joe Biden og IBM-computeren, er et kjølesystem der hver “etasje” representerer nedkjøling til neste nivå helt ned til regneenheten i en liten boks nederst. Lekkert å se på, men uegnet på jobben eller hjemme. Så langt.
Det andre problemet er støybeskyttelse. Støy fra varmestråling og materialer vil medføre regnefeil. Derfor ligger selve regneenheten i denne sterkt nedkjølte beskyttende kassen. Men allikevel er det visst vanskelig helt å unngå regnefeil på grunn av støy.
Du kan leie tid på en kvantecomputer
Det å eie en kvantecomputer er altså pr. nå stort sett forbeholdt forskning i privat og offentlig regi. Men det finnes muligheter for deg og meg. IBM kjører nemlig et helt åpent system der man faktisk kan leie maskintid for 1,60 dollar pr. sekund kjøretid på deres 27-qubit Falcon. Jada, du kan betale med vanlig kredittkort. Sjekk instruksjonene på IBMs nettsider.
Hvem leder kvantecomputerløpet? Denne skribent våger seg frempå med IBM. De disponerer flere enn 60 kvantecomputere og besitter hundrevis av patenter innen dette feltet. Men den kinesiske staten satser enormt, og sto ifølge World Economic Forum for drøye halvparten av det som ble brukt i hele verden på feltet i 2021. Men amerikanerne har skjønt bildet, og satser nå enormt både statlig og privat. Selv Biden er altså engasjert.
Her på berget har vi også forstått at dette er heftige saker. Så i 2020 etablerte NTNU, Sintef og Universitetet i Oslo i samarbeid sitt “Gemini-center on Quantum Computing”. Målet for tiltaket er å gjøre Norge “quantum ready”, som de skriver på nettsidene sine.
Vurderer du eller dine håpefulle hva du/de skal studere? Kvantefysikk og kvantecomputere virker utrolig spennende.
