Dankortet, du brugte i Netto. Rejsekortet, du checkede ind med i toget. Vejrudsigten fra DMI. Hjemmesiden, du læser på lige nu i dette sekund.
Vores verden er spundet ind i et væv af computere, der i al ubemærkethed bimler og bamler og regner og regner derudaf som små data-slaver, så hverdagen kan glide sådan nogenlunde gnidningsfrit.
Enten små computere som din smartphone eller store og stærke supercomputere i ‘skyen’, der hjælper os, når vi søger på Google eller finder vej på GPS’en.
Så det er egentlig vildt, lyder det fra lektor Morten Kjaergaard – fysiker, computernørd og en hurtigtsnakkende mand med ild i øjnene – hvor lidt de fleste ved om de allestedsnærværende computere.
»På trods af, at det er noget, alle folk bruger hele tiden, så er det noget, de fleste forstår meget lidt af. Det er ret fascinerende, fordi computere er så intim en del af vores hverdag,« påpeger Morten Kjaergaard, da Videnskab.dk møder ham på Niels Bohr Institutets Center for Kvanteelektronik.
Her – i et aflangt ‘computer-laboratorium’ på fjerde sal, hvor ledninger vikler sig ind og ud af loftshøje stålreoler pakket med kasseformede måleinstrumenter – forsker Morten Kjaergaard i, hvad der kan blive – og måske allerede er ved at være – den næste store revolution i computerverdenen:
Kvantecomputeren.
Du har sikkert hørt om den. Hørt, at den på få minutter kan løse regnestykker, der for de bedste supercomputere i dag er uløselige. At den kan bryde al den kryptering, vi ellers sikrer top-fortrolige oplysninger med i dag. Men også, at den kan være et gennembrud til at producere ny og bedre medicin eller sætte skub i den grønne omstilling med hidtil uset fart.
Men hvordan fungerer den egentlig? Hvad kan den? Og hvor langt er vi fra, at kvantecomputeren bliver en helt normal del af vores hverdag?
\ Videnskab.dk sætter fokus på kvantecomputere
NATO åbner i 2023 et nyt center for kvanteteknologi i Danmark.
Videnskab.dk sætter i den forbindelse fokus på kvantecomputeren.
For hvad er det egentlig kvantecomputeren kan? Og hvorfor smider store firmaer som Microsoft, IBM og Google formuer efter at udvikle den?
Hvad er en kvantecomputer egentlig?
Først og fremmest er en kvantecomputer ikke ‘bare’ en videreudvikling af den ‘almindelige’ computer, som rigtig mange mennesker tæsker løs på dag ud og dag ind.
»Kvantecomputeren er en processor uden alt det rundt om. Den kører ikke med skærm eller tastatur som almindelige computere. Det er – meget forsimplet sagt – én stor lommeregner. Det er nok det bedste billede, der findes,« forklarer Morten Kjaergaard.
På den måde minder en kvantecomputer mere om supercomputere, der heller ikke er udstyret med skærm, men sådan set bare er en metalkasse med regnekraft, der arbejder i ‘skyen’, når du eksempelvis bruger Google.
Men kvantecomputeren er heller ikke ‘bare’ en videreudvikling af supercomputeren, fastholder forskerne.
»Kvantecomputere er et helt nyt paradigme. Man kan ikke tænke på det som noget, der erstatter det velkendte,« fastslår professor og kvantefysiker Peter Lodahl, da Videnskab.dk møder ham i en kælder i en anden bygning på Niels Bohr Institutet, hvor han forsker i kvantecomputere.
Som at gå fra stearinlys til el-pæren
Det helt nye og revolutionerende ved kvantecomputeren er, at den udnytter komplekse kvantemekaniske principper som spin, superposition og entanglement (se faktaboks).
\ Hvad er spin, superposition og entanglement?
- Spin er sådan set bare et ord, man bruger om atomers tilstand. Det har – forvirrende nok – intet at gøre med at dreje rundt. Et atoms tilstand kan være Spin-up eller Spin-down – eller begge dele på samme tid.
- Superposition er betegnelsen for, at elektroner og andre partikler kan være to steder på en gang. Intuitivt giver det ingen mening. Men sådan er det bare på det atomare niveau. Ganske vist gælder det kun, når vi ikke måler på dem. Når vi måler på dem, påvirkes partiklen, og den ‘vælger’ en tilstand.
- Entanglement eller sammenfiltring betyder, at den ene partikel ved, hvad den anden gør. Hvis to partikler er sammenfiltrede, vil en måling på den ene partikel direkte påvirke den anden. De opfører sig med andre ord ens. Også selvom de befinder sig forskellige steder i universet. Det lyder spooky. Men igen; sådan er kvantefysikken.
»Det er en del af fysikken, vi aldrig har udnyttet før,« forklarer Peter Lodahl.
Overgangen fra de computere, vi har i dag, til kvantecomputeren sammenlignes også ofte med det spring, der skete, da samfundet gik fra at bruge levende lys til elektrisk lys:
Når vægen fra et stearinlys er antændt, er det en fuldstændig anderledes fysisk proces, end når en el-pære knitrer. El-pæren har også andre anvendelsesmuligheder. Endemålet er dog stadig lys.
Sådan er det også med kvantecomputeren og almindelige computere. Men i stedet for lys er endemålet regnekraft.
Vi ved, at der er mange problemer, vi i dag ikke kan løse, fordi de computere, vi anvender i dag, ikke har den tilstrækkelige regnekraft. Det gælder alt fra proteinfoldning, udviklingen af helt nye materialer til optimering af solceller, lagring af energi og meget andet.
»Computere i dag – også de allerbedste supercomputere – har massevis af problemer, som de ikke kan løse, men som, vi ved, at kvantecomputere kan løse. Det gælder i alt fra udforskningen af ny medicin til mere usexede ting som at udregne de bedste flyruter,« forklarer Morten Kjaergaard.
Peter Lodahl supplerer:
»For at forstå og optimere sådanne problemer skal man løse et komplekst kvantemekanisk problem. Kvantecomputere vil kunne skræddersys til at løse netop denne type problemer,« siger han.
Kvantefysiske bits gør forskellen
Fidusen med det hele er altså – når alt kommer til alt – at kvantecomputere kan udregne langt mere komplekse regnestykker end de computere, vi har i dag. Det er til at forstå.
Men hvorfor kan kvantecomputeren egentlig det?
Forskellen findes i de forskellige computers mindste byggesten. Igen giver det mening at forestille sig en almindelig computer.
»En computer er al mulig indpakning som skærm og tastatur rundt om en processor, men det er faktisk kun selve processoren, der ‘regner’. Og en processor består af en helt masse transistorer, som altså i sidste ende står for regnekraften i en computer,« forklarer Morten Kjaergaard.
Transistorer er computerens – og sådan set hele informationsteknologiens – nerveceller. I en computer fungerer transistoren ved, at den kan fremstille de to signaler ‘1’ og ‘0’, som udgør computerens sprog.
Alt, du ser på din computer, og alt, som lagres i computeren, lagres i tal, som kaldes bits, og som kan være enten 0 eller 1. Det er gennem sine bits, at computere kommunikerer og løser opgaver.
En bit gemmer altså på informationen 1. En anden på 0. Og tilsammen gemmer de på den binære kode 10.
Kvantecomputere bruger ikke transistorer, men såkaldte kvantebits i stedet. Og det er den fuldstændig afgørende forskel.
Eksponentiel vækst gør kvantebits potente
Kvantebits kan – som alle andre ting i kvantefysikken – være to steder samtidig – altså være i en superposition. Det betyder, at en kvantebit kan være både 0 og 1. Og det er selvfølgelig vildt og mærkeligt – og super forvirrende, ikke mindst. Men det er bare sådan, det er.
Men den skizofrene kvantetilstand er egentlig ikke det, der i sig selv giver kvantecomputeren sin vilde regnekraft. Én kvantebit er ikke så meget bedre til at regne end én ‘normal’ bit.
Først når man begynder at lægge de mange kvantebits sammen, bliver kvantecomputerens enorme styrke pludselig tydelig. Fordi kvantebits både kan være 0 og 1, stiger kvantebits regneevne eksponentielt med antallet af kvantebits – i modsætning til normale bits, som skalerer lineært.
»Det betyder, at når man er oppe på at have en kvantecomputer på 80 kvantebits, så kan man faktisk kode mere information i den computer, end mennesket nogensinde har kodet før,« forklarer Peter Lodahl.
»Det er dét, der gør teknologien så potent,« fastslår han.
\ Dyk dybere ned i teknologien bag kvantecomputere
Har mod på at nørde videre og læse endnu mere om teknologien bag kvantecomputere?
Så kan du med fordel læse artiklen her, som ph.d. i fysik Niels Jakob Søe Loft har skrevet til Videnskab.dk’s Forskerzonen.
Kampen om kvantefordelen
I 2019 gennemførte Google et regnestykke på en kvantecomputer med 53 kvantebits, hvilket – i kvante-forskerkredse i al fald – var en decideret verdenssensation.
Kvantecomputeren havde nemlig på blot 3 minutter løst et regnestykke, som det ville tage verdens største supercomputer cirka 4 uger at løse.
At få en kvantecomputer til at regne med over 50 kvantebits er et mål, der er kendt som kvantefordel, fordi de 50 kvantebits markerer det punkt, hvor kvantecomputeren slår supercomputerens regnekraft.
Kvantefordelen – eller med amerikansk schwung quantum supremacy, der kan oversættes til kvante-overherredømme – er et mål, som tech-virksomheder som Microsoft, Google og IBM kappes om at nå.
Lige nu findes der omkring 50-100 kvantebits i de største kvantecomputere, så dette første delmål er nået. IBM lancerede i november 2021 endda en kvantecomputer på 127 kvantebits.
Men hvorfor er kvantecomputeren ikke blevet hverdagskost endnu?
Skrøbelige kvantebits skaber udfordringer
Udfordringerne med kvantecomputere er stadig mange.
Først og fremmest er kvantecomputere krævende at fremstille, fordi de bittesmå kvantebits er enormt skrøbelige overfor påvirkninger fra omgivelserne. Kvantebits nedbrydes derfor ved den mindste forstyrrelse. Og når de nedbrydes, går regnestykket i koks.
For at holde kvantebits stabile, bliver de frosset ned til minus 270 grader – nogle få grader over det absolutte nulpunkt og samme temperatur som i det ydre rum. Nedfrysningen kræver et avanceret køleskab – også kaldet en kryostat.
Alt i alt er det altså stadig avanceret, dyrt og usikkert at arbejde med kvantebits. Det er netop derfor, at folk som Morten Kjaergaard, Peter Lodahl og en hær af andre forskere stadig nørkler med, hvordan kvantebits kan gøres bedre.
»Målet er at lave kvantebits, der mærker omgivelserne så lidt som muligt, men stadig så meget, at vi rent faktisk kan arbejde med dem,« forklarer Morten Kjaergaard.
Vakuumrør eller transistor
Kvantebits kan i øvrigt designes på helt forskellige måder.
Peter Lodahl arbejder eksempelvis med at lave kvantebits gennem fotoner – det vil sige bits baseret på lys. Morten Kjaergaard arbejder med at fremstille såkaldte superledende kvantebits, der består af kunstige atomer.
»Der findes i omegnen af 8 forskellige typer kvantebits i feltet. Men det er 3 kvantebits, der leder ræset; superledende, fotoniske og ion-fælder,« vurderer Morten Kjaergaard, der sammenligner kvantebit-ræset med udviklingen af de tidligste computere:
»De første computere fra 1940’erne kørte på vakuumrør, og de havde nogenlunde samme fejlrate som kvantebits i dag. Men så kom der en ny teknologi i form af transistoren, der viste sig at være totalt overlegen. Det, vi ikke ved i dag er – lidt groft sagt – hvilke kvantebits, der er transistoren, og hvilke, der er vakuumrør.«
Videnskab.dk går mere i dybden med de forskellige kvantebits i en kommende artikel.
Kvantecomputere bruger helt andre algoritmer
Skrøbelige kvantebits er altså en slags indbygget udfordring i hele teknologien. Men der er også andre årsager til, at kvantecomputeren lader vente på sig.
Kvantecomputere og de dertilhørende kvantebits er bare hardware. Men, som de fleste ved, skal en computer bruge software i form af koder og algoritmer for rent faktisk at kunne bidrage med noget.
Og kvantecomputere kan ikke bare overtage al den software, som almindelige computere trawler sig igennem i dag.
Kvantecomputere har brug for sin helt egen diæt af kvante-algoritmer, der er ekstremt komplekse at udarbejde. Og så er kvante-algoritmer, der rent faktisk kan bruges til noget nyttigt, stadig en mangelvare.
Google har eksempelvis bevist, at de kan lave en kvantecomputer, der kan regne ting ud, som supercomputere aldrig kommer til regne ud. Men det problem, som Googles kvantecomputer løste i 2019, var sådan set bare en matematisk gåde uden nogen praktisk relevans overhovedet.
»Det er derfor, at Google har et slogan, der lyder ‘We’re one algorithm away form changing the world’. Spørgsmålet er, om vi får nogle algoritmer, der kan regne noget interessant ud,« forklarer Morten Kjaergaard.
Kvantecomputere er elite-soldater
Det er også på grund af de anderledes algoritmer, at kvantecomputere ikke direkte kan sammenlignes med almindelige computere. De løser ikke de samme problemer.
Almindelige computere er en slags generalister. Men kvantecomputere bør ses som nogle højtspecialiserede elitesoldater, der udvikles til at løse helt specifikke problemer.
Eksempelvis ser de fotoniske kvantebits, som Peter Lodahl udvikler, ud til at have et særligt stort potentiale i udviklingen af ny medicin.
»Så det er kun, hvis du står med et problem, hvor kvantecomputer er god, at der er grund til at ringe til den. Derfor er det også totalt forfejlet at forestille sig, at vi hver især får en personlig kvantecomputer, som vi kommer til at stille op på vores skrivebord derhjemme,« lyder det fra Morten Kjaergaard.
Kan sammenlignes med en rumraket
Sidste store udfordring handler om opskalering.
Kvantecomputeren findes. Google har udviklet kvantecomputere. Microsoft har. Kina har. Og IBM giver sågar adgang til, at du kan bruge en af deres kvantecomputere direkte på nettet.
Men det er altsammen særsyn. Ligesom i 1940’erne, da der kun fandtes en håndfuld computere i verden. Kvantecomputerens bruges ikke ude i samfundet, fordi den endnu ikke er klar til at blive skaleret op på et industrielt niveau.
En opskalering af kvantecomputeren er næsten som at banke en helt ny industri op. Der er ikke bare brug for kvantefysikere, der forsker i kvantebits, der også brug for eksperter i materiale- og computervidenskab, en hær af ingeniører og meget mere.
»Man kan sammenligne det med rumfarten i dag, hvor det kræver en mindre hær af eksperter for at sende en raket i kredsløb. Det samme gælder, når der skal bygges en kvantecomputer,« lyder det fra Morten Kjaergaard.
Peter Lodahl lander også på en rumfarts-analogi, når han skal beskrive, hvor udviklingen af kvantecomputeren står i dag. Tænk på 1960’erne, hvor man drømte om at sende en mand til Månen, men endnu ikke var lykkedes med det, siger han:
»Det er dér, vi står i dag. Vi kan se ind i tågerne. Vi kan se, at der er nogle veje ind. Men vi ved ikke, hvor langt vi kan komme ind, og præcist hvad vi vil finde. Vi balancerer på det teknologisk mulige,« siger Peter Lodahl og tilføjer, at det heller ikke er garanteret, at kvantecomputeren rent faktisk får et gennembrud:
»Bare fordi det lykkedes at opskalere computeren, betyder det ikke, at det samme sker med kvantecomputeren. Hvis John F. Kennedy i 1960’erne havde sagt, at vi skulle have en mand til at lande på en stjerne inden udgangen af årtiet, så ville det have været en dårligt tale. For det ville aldrig være sket,« lyder det fra professoren.
