JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi. Kvantdatorerna på frammarsch

Bilder på nybyggda, skinande kvantdatorer väcker ofrånkomligen minnen av gamla foton på 1940- och 1950-talets datorer byggda med vakuumrör. Kvantdatorerna är vackra skapelser – inga beiga lådor här inte! – men det syns också hur mycket arbete som återstår innan detta blir en praktisk och hanterlig teknik för gemene man.

– I stort sett är det en rimlig liknelse. Många forskare inom fältet använder den för att beskriva utvecklingstakten och läget i kvantdatorindustrin idag, säger Zaid Saeed, medgrundare av och vd för Göteborgsföretaget Scalinq.

Företaget startade 2022 och utvecklar komponenter till kvantdatorer, i tätt samarbete med sina kunder. Zaid Saeed liknar företagets första produkt, Linqer, vid en sorts moderkort som knyter ihop olika delar av kvantdatorn.

Kvantmekaniken, den vetenskap som beskriver naturens minsta beståndsdelar, har runt 100 år på nacken och redan på 1980-talet togs de första stegen mot att bygga en kvantdator när forskare lyckades manipulera och mäta enskilda kvantsystem. De senaste åren har utvecklingen dock tagit fart på allvar och generellt användbara kvantdatorer kan vara en realitet på några års sikt.

Sverige har stark och aktiv forskning inom kvantteknologi, konstaterar Vinnova i rapporten ”En svensk kvantagenda” som publicerades våren 2023. Till stor del finansieras forskningen av KAW, Knut och Alice Wallen­­bergs stiftelse, huvudsakligen genom Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT) som initierades 2018 och är finansierat fram till 2029. Rapporten pekar också ut ett antal universitet – Chalmers, KTH, Lund och Stockholm – som särskilt aktiva inom området. Sverige är dessutom ett av tiotalet länder som har skrivit avtal med USA, där merparten av utvecklingen sker, om samarbete kring kvantteknik.

Vinnova efterlyser inte helt oväntat en nationellt samordnad strategi för att stödja forskning och utveckling, höja kvaliteten på utbildning och inte minst säkra långsiktig finansiering bortom 2029. Verket pekar också på att andra länder, som Finland, Tyskland och Storbritannien, redan har gjort stora nationella kvantsatsningar.

Men tillbaka till kvantdatorn, för det händer saker redan idag.

– Det faktum att KAW hjälper till att bygga upp Sveriges ekosystem inom fältet öppnar en uppsjö av möjligheter, inte minst för vårt varumärke som förknippas med den framgångsrika kvantforskningen i Sverige. Scalinq är ett av de första kommersiella bolagen i Sverige inom quantum information science och vi har fått ta emot innovationsindikatorer (bidrag) från Vinnova som hjälpte oss att accelerera produktutveckling och kommersialisering, säger Zaid Saeed.

Ett av målen för WACQT är att konstruera en svensk kvantdator för forsknings- och teständamål som ska stå färdig 2025. Samtidigt arbetar Atlantic Quantum, en avknoppning från Chalmers och MIT i USA och även en av Scalinqs kunder/samarbetspartners, med att få fram en kommersiellt tillgänglig maskin vid samma tid. På andra håll i världen finns redan funge­rande system som till exempel IBM:s Quantum System One, en kvantdator som installerats på det amerikanska forskningssjukhuset Cleveland Clinic.

Just medicinsk forskning nämns ofta som ett område som lämpar sig väl för kvantdatorer.

– Många i branschen nämner materialutveckling, molekylärbiologi, och finansiell modellering som exempel på områden där tekniken kommer att leverera värde tidigt, säger Zaid Saeed.

– Men egentligen är det svårt att säga redan nu vilka tillämpningar som kommer bli viktiga, eftersom kvantdatorer är en plattformsteknologi på samma sätt som konventionella datorer och internet. För att ta ett exempel så var internets huvudsyfte från början att skapa en robust och motståndskraftig kommunikationskanal för främst forskare och militär personal. Med tiden blev det som bekant mycket mer än så.

Generellt sett är poängen med kvantdatorer att de kan utföra beräkningar på stora datamängder som en klassisk dator inte klarar av. Det kan vara till nytta för till exempel DNA-sekvensering eller optimering av transporter, eller mönsterigenkänning och maskininlärning. Man räknar också med att tillräckligt stora kvantdatorer kommer att kunna knäcka de krypteringsalgoritmer som används idag, något som i så fall skulle kunna ställa till stora problem.

Men en del tekniska utmaningar återstår innan kvantdatorerna kan leva upp till sin potential, säger Zaid Saeed.

– Själva kvantprocessorerna har en väg att vandra innan de kan leverera den prestanda som behövs för att ge kommersiell nytta. En annan utmaning är koherenstiden, den tid som en kvantbit (se ruta) kan hålla information innan den börjar tappa informationen och falla tillbaka till sitt grundtillstånd. Det finns också flaskhalsar i den kringutrustning som krävs för att skala upp beräkningskraften, och det är den nischen Scalinq verkar i.

En annan fråga är om kvantdatorer kommer utvecklas till generella datorer, eller om de snarare utformas till maskiner byggda för specifika tillämpningsområden ungefär som grafikprocessorer i en PC.

– Det pågår en utveckling inom båda tillvägagångssätten. Flera aktörer arbetar på att integrera kvantdatorer med HPC (high performance computers) där de två maskinerna jobbar i nära samspel och levererar två olika beräkningsmöjligheter via molnet, säger Zaid Saeed.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen.
Prenumerera kostnadsfritt!

Egentligen är motsägelsen absurd: kvantdatorer manipulerar några av naturens minsta beståndsdelar, som enstaka molekyler och ljuspartiklar, men är ändå likt sina kusiner från 1950-talet stora nog att uppta ett normalt vardagsrum. Det tog drygt tre decennier att gå från rördatorer till datorer på skrivbordet men det mesta talar för att det kommer gå fortare med kvantdatorerna.

Om kvantteknik och kvantdatorer

Kvantfysiken beskriver hur materiens minsta byggstenar – molekyler, atomer och ännu mindre partiklar – beter sig.

Den är i många stycken ickeintuitiv, för att inte säga absurd: kvantpartiklar kan till exempel befinna sig olika tillstånd samtidigt, och påverka varandra över stora avstånd utan att någon information överförs. Det är förmågan att kontrollera dessa beteenden som ligger till grund för kvanttekniken, där kvantdatorer är en del.
Utöver kvantdatorer, som den här artikeln fokuserar på, tar ­Vinnovas Kvantagenda upp tre andra områden där kvanttekniken kommer göra, eller i några fall redan gör, stor nytta.

Kvantkommunikation
Genom att skicka information med hjälp av kvantpartiklar kan man lösa ett av de största problemen inom kryptering: att överföra krypteringsnycklar på ett säkert sätt. Tekniken, som används redan idag, kallas Quantum Key Distribution och det finns en hel Wikipediaartikel om det (se QR-kod). Detaljerna är komplicerade men grunden är att kvantfysikens lagar säger att det är omöjligt att läsa av en kvantsignal utan att påverka den. Med andra ord: om Alice sänder ett meddelande till Bob och någon lyssnar på vägen kommer det meddelande Bob tar emot att skilja sig från vad Alice sände. Det här kan Alice och Bob upptäcka och välja att starta om förhandlingen för att generera en ny nyckel.

Kvantsimulering
Simulering av stora, komplexa system är en klass av problem som kvantdatorer är väl lämpade att hantera.

Kvantsensorer
Kvantsystem är väldigt känsliga för yttre påverkan, vilket innebär att de också kan användas som känsliga mätinstrument. I viss utsträckning sker det redan idag, till exempel i atomklockor eller i sjukvårdens magnetkameror, men när tekniken möjliggör manipulering av enstaka atomer eller fotoner kan man uppnå ännu större noggrannhet.

En kvantdators beräkningskapacitet anges i första hand i hur många kvantbitar (qubits) den har. Varje kvantbit utgörs av ett kvantsystem och kan, till skillnad från bitar i en konventionell dator, ha värdena 0 och 1 samtidigt – detta kvantfenomen kallas superposition. En dator med två kvantbitar kan alltså ha fyra samtidiga tillstånd, en med tre kvantbitar åtta och så vidare. Redan vid 50–60 kvantbitar har kvantdatorn en teoretisk beräkningskraft som överträffar dagens konventionella datorer, och denna så kallade kvantumfördel har även demonstrerats i praktiken i enstaka specialfall.

Andra faktorer som påverkar den faktiska beräkningskraften är:

– Antalet kopplingar till andra kvantbitar som en enskild kvantbit kan ha

– Vilka typer av kvantlogikgrindar som kan implementeras

– Pålitligheten i varje grind (liksom i en vanlig dator behöver ett antal kvantbitar reserveras för felkontroll och -korrigering)

– Hur många parallella operationer datorn kan utföra

– Djupet, antalet grindar som kan appliceras i följd innan kvantbitarna börjar förlora sin information

De största kvantprocessorerna idag, som till exempel IBM:s Condor, har omkring 1000 kvantbitar. De datorer som faktiskt används ligger dock betydligt lägre, från 100 upp till några hundra kvantbitar.

 

MER LÄSNING:
 
KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Anne-Charlotte Lantz

Anne-Charlotte
Lantz

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)