Kvantedata kommer nå
Av Anders C. Sørby
- - Det investeres tonnevis med tid og penger i å utvikle og anvende kvantedatamaskiner, men i Norge har dette lite oppmerksomhet. i Det er svært risikabelt for kvanteteknologi har potensialet til å definere en ny era for industri, data og teknologi. Konvensjonell metodikk og teknologiske fortrinn kan være avleggs innen få år. Da trenger man å bygge opp kompetanse, økosystemer og kvantesatsninger i Norge nå.
Kvantefysikk er vitenskapen som beskriver universet på de minste størrelsene. Der bryter vanlig fornuft og intuisjon sammen og vi må forstå disse partiklene som noe som fundamentalt basert på sannsynlighet og tilfeldigheter. Partiklene eksisterer som bølger av sannsynlighet som vekselvirker, sammenfiltres og lager bølgemønstre. At dette er måten universet er satt sammen på er resulatet av grundige eksperimenter og forskning.
Superposisjoner og sammenfiltring
Disse grunnleggende rare kvanteegenskapene er noe vi kan utnytte til å lage banebrytende nye teknologier.
Dette kalles gjerne at “bølgefunksjonen” har “kollapset”. “Bølgefunksjon” fordi disse kvanteegenskapene oppfører seg som en bølge av sannsynlighet og “kollapset” fordi superposisjonen er borte etter at målingen har skjedd.
Superposisjoner og bølgefunksjoner er altså kvanteegenskaper som vi ikke kan se “direkte”, men som er nødvendige og velykkede i å forklare hvordan kvanteverden oppfører seg.
Kvantedatamaskiner
Kvantedatamaskiner tar i bruk disse kvanteegenskapene til å lage en helt ny form for datamaskiner. Informasjon blir representert som kvantebits, kalt qubits, som kan være 0, 1 eller en superposisjon av disse. Dette skrives gjerne med Diracs “bra-ket”-notasjon der er komplekse tall som definerer sannsynligheten for å måle 0 eller 1. Dette kan man visualisere som at qubiten befinner seg på overflaten av en kule der nord- og sør-polen er 0 og 1. Dette kalles Bloch-sfæren.
(Kilde: Wikipedia)
Hver qubit vil altså ha en tilstand som befinner seg et sted på overflaten av denne teknte kulen. Men når vi måler qubiten vil den bare være enten 0 eller 1 og sannsynligheten for å måle det er gitt av hvor nærme hver av polene den befinner seg. Gjentatte målinger av samme qubit vil ikke endre på resultatet.
Det er mange måter å lage qubits på og i prinsippet kan alle kvantetilstander brukes til å representere en qubit. De mest lovende teknikkene er fangede ioner og superledere. Problemet er å sørge for at qubitene bevarer superposisjonen gjennom beregningene. En løsning på dette er å bruke mange qubits til å representere én, gjerne 100 eller 1000, for å hindre feil. Dette gjør at behovet for qubits øker kraftig og er det største hinderet for å bygge større kvantedatamaskiner.
Med denne verktøykassen kan man bygge datamaskiner som kan gjøre visse beregninger med kvantefordeler. Selve kvantedatamaskinen må kjøles ned til nær absolutt nullpunkt og krever derfor mye plass. Personlige kvantedatamaskiner vil ikke være mulig i nærmeste fremtid, men hvis teknologien tillater det kan det bli realitet en gang.
Fysiske, kjemiske og biologiske simuleringer Kvantedatamaskiner klarer å simulere kvantefysiske systemer, i fysikk, kjemi og biologi, mye mer presist og effektivt enn vanlige datamaskiner. Dette er nokså naturlig fordi kvantesystemer kan simulere kvantefysiske systemer direkte. I de fleste tilfeller er det praktisk umulig å simulere selv nokså enkle kvantesystemer på vanlige datamaskiner. Foreløpig vil dette kreve ganske mange flere feilfrie qubits enn vi har i dag, men man kan simulere enkle systemer og bruke hybridløsninger der man konstruerer deler av det fysiske systemet kombinert med simuleringen. Dette vil være grensesprengene for teknologisk utvikling og gi oss en helt annen forståelse av hva som er mulig og hvordan ting fungerer.
Kvante-kunstig intelligens
Kunstig intelligens krever massiv regnekraft for å kunne trene stadig større modeller. Dette vil ikke kunne vokse inn i himmelen og KI har allerede et betraktelig stort karbon og energiavtrykk. Kvantedata kan løse dette. Kvantedatamaskiner kan trene KI-modeller mye mer energieffektivt og potensielt føre til enda bedre modeller. Min prediksjon er at kvantedata kommer til å bli standard for alle større KI-prosjekter om ikke så mange år; hovedsaklig fordi det er raskere og billigere enn vanlige datasentre.
Kvante-grønt skifte
Kvanteteknologi gir oss store muligheter for å utvikle bedre teknologi i det grønne skiftet. Nye kjemikalier, materialer, batteriteknologi og mye mer kan undersøkes og simuleres effektivt med kvantedatamaskiner. Alt dette bygger på kvantefysikk og det er bare kvantedatamaskiner som kan simulere kvantesystemer effektivt.
Hvis man skal forske på nye materialer og deres kjemiske og fysiske egenskaper så er det en kjempefordel å kunne simulere det i en kvantedatamaskin. Dette gjør det mulig å undersøke mange varianter uten å trenge å sette opp dyre, kompliserte og tidkrevende fysiske eksperimenter. Dette blir mer og mer relevant jo flere stabile qubits man klarer å produsere.
Kvante-sikkerhet og Shor’s algoritme
Kvantedatamaskiner med nok qubits, ca. 1 million, og feilretting vil kunne kjøre Shor’s algoritme for primtallsfaktorisering i polinomisk tid. Det som ville tatt millioner av år på en superdatamaskin vil kunne løses av en kvantedatamaskin på noen minutter. Og det er nettopp at dette er vanskelig som underbygger den asymetriske kryptografien vi bruker på internett. Det betyr i praksis at all normal informasjonssikkerhet på internett blir borte. Allerede er det et problem fordi man kan lagre krypterte data nå og dekryptere dem når store nok kvantedatamaskiner blir tilgjengelige.
Fremtidig potensiale
Kvanteteleportering av informasjon og energi er protokoller man allerede har tatt i bruk. Det innebærer en sammenfiltring av to partikler, men krever også en koordinering over vanlige kanaler mellom sender og mottaker. I teorien er det altså mulig å teleportere energi rett inn i kontakten uten bruk av et strømnett gitt at man har et kvanteinternett man kan sammenfiltre partikler over. Det er også teoretisk mulig å teleportere kvanteinformasjon og dermed er det ikke umulig at vi kan teleportere større objekter i fremtiden.
Hva burde vi gjøre i Norge?
Norge trenger å komme på banen innen kvanteteknologisatsninger, anvendelser, startups, forskning og utdanning. For å være konkurransedyktige i fremtiden trenger vi å henge med på utviklingen og anvendelsen av kvanteteknologier i dag. Vi står ovenfor et kvante-Kodakøyeblikk der bedriftene som ikke klarer å tilpasse seg kvanteteknologien i tide vil bli utkonkurrert. Og det kan skje fort.