Forskere forbereder computerkraftens kvantespring
Vi har vænnet os til, at computere og alt, hvad der har med digital teknologi at gøre, bliver bedre, hurtigere og billigere år for år. Men hvis udviklingen skal fortsætte, er der snart behov for at skifte til helt nye teknologier. Den mest lovende er kvantecomputere.
Peter Hesseldahl
Redaktør, digital omstillingEn central motor for de seneste årtiers vækst og teknologiske forandring er ved at miste momentum.
’Moores lov’ beskriver, hvordan teknologien bag computeres regnekraft udvikler sig – en udvikling, der siden computernes barndom har været forbløffende stabil: Cirka hvert andet år er computerkraften på de små chips blevet fordoblet.
År for år har det åbnet for nye muligheder, nye smarte produkter og stadig mere avancerede tjenester. Og det har bl.a. betydet, at vores lille smartphone i lommen har mere regnekraft end mange desktopcomputere havde for blot få år siden.
Men Moores lov er ved at miste pusten. Vi nærmer os hastigt et punkt, hvor det er svært at se, hvordan man skal kunne klemme større kraft ud af en siliciumchip.
I de nyeste generationer af processorer er afstanden mellem elementerne på chippene nede på 7 nanometer, svarende til omkring 25 atomer. Ud over vanskelighederne med at masseproducere chips med den ekstreme finhed er der også et problem med varmen; chippene smelter simpelthen, hvis de skal yde mere.
”Vi er nået til grænsen for udviklingen af den nuværende teknologi. Det bliver ikke meget bedre. Vi kan ikke forøge tætheden af chips, og vi kan ikke bygge større datacentre, end vi allerede gør. Men der er stadig behov for meget mere beregningskraft,” siger professor Charles Marcus, der leder Niels Bohr instituttets Center for Quantum Devices.
”Der er stadig masser af nøglespørgsmål, vi ikke kan komme i nærheden af rent beregningsmæssigt. Hvordan foregår komplekse kemiske processer? Hvordan fungerer medicin i kroppen? Vi kan ikke simulere det godt nok,” siger Charles Marcus.
Marcus sidder i et stort lokale, nærmest en hal, proppet med uigennemskueligt grej, dækket af knapper og strittende af ledninger. Alle studerende, der går rundt imellem udstyret, ser ud til at være af forskellig nationalitet.
Det er dyre stumper. Ved siden af Marcus står en fryser, der kan køle ned til en hundrededel af en grad over det absolutte nulpunkt. Sådan en koster en million dollar. Laboratoriets budget skyldes i høj grad Microsoft. Niels Bohr Instituttet er et af fire centre i verden i computergigantens satsning på at finde den teknologi, der kan sikre, at Microsoft også i fremtiden er en førende, global techvirksomhed.
De øvrige giganter, først og fremmest Google, Intel og IBM, investerer også kraftigt i udviklingen af kvantecomputere. I USA er venturekapitalen begyndt at flyde, og i Kina er regeringen – naturligvis, fristes man til at sige – i gang med at opføre verdens største forskerpark til en pris af over 70 milliarder kroner.
Men Danmark er alligevel ganske godt med i spillet. Ud over Microsofts laboratorium på Niels Bohr Instituttet er der blandt andet forskning på DTU og Aarhus universitet.
”Siden Niels Bohr var med til at grundlægge feltet, har der været en lang og stærk historie for forskning i kvantefysik, og Danmark står uforholdsmæssigt stærkt på det område,” siger Cathal Mahon, der er leder af Qubiz, et nationalt center for fremme og kommercialisering af kvanteteknologi, som Innovationsfonden har støttet med 80 mio. kr.
Svarer til computere i 1950
Mens industrien, forskere og politikere verden over er blevet opmærksomme på, at kvantecomputere kan blive en central teknologi i fremtiden, er teknologien bag mildt sagt eksotisk.
Teknikken bygger på, at man præcist og stabilt kan styre massevis af enkelte partikler i en særlig ’kvantetilstand’, hvor man kan udnytte, at stoffer opfører sig på måder, kun de færreste fysikere reelt fatter. Se også boksen ’Sådan fungerer en kvantecomputer’ under artiklen.
Foreløbig er der et godt stykke vej, før kvantecomputerne er i normal drift. Det store rum fyldt med udstyr, som Charles Marcus sidder i på Niels Bohr instituttet, illustrerer ganske godt, at kvanteteknologien stadig er grundforskning. Det er oplagt at sammenligne med de enorme apparater, man byggede i computernes barndom.
”Dengang kunne man ikke ane, at vi ville betjene computere med en mus, eller forudsige, at du ville have navigation på en mobiltelefon i din lomme,” siger Charles Marcus:
”Hvis man forsøger at forudsige, hvordan udvikling af kvantecomputere vil påvirke dit liv fremover, svarer det til, at man havde stillet det samme spørgsmål til dem, der udviklede computere i 1950, da transistoren lige var opfundet,” siger Marcus.
Kvantecomputere bliver næppe noget, der kan bruges til alle hverdagens opgaver. Faktisk passer teknologien formentlig slet ikke til en stor del af det, klassiske computere anvendes til.
Men for nogle typer af beregninger vil kvantecomputere teoretisk ikke bare være lidt hurtigere, men millioner gange hurtigere. I andre tilfælde vil kvantecomputere kunne løse opgaver, der slet ikke er mulige at løse med klassiske computere.
Tæppet trækkes væk under kryptering
I øjeblikket er der kun fundet nogle få overordnede typer af beregninger, hvor kvantecomputere vil være på hjemmebane.
En af de funktioner, som kvantecomputere vil excellere i, og som konventionelle computere har svært ved, er ’faktorisering’. Det går ud på at finde frem til de tal, som kan ganges med hinanden for at få et bestemt tal.
Det er nemt nok for en almindelig computer at gange to tal med hinanden, men det er langt sværere at gå den anden vej. Ikke mindst når den ud fra et stort tal skal regne ud, hvilke to primtal der skal ganges med hinanden for at nå dette tal.
Når tallene bliver rigtig lange, er det i praksis umuligt for computere at beregne det inden for en realistisk tidsramme. Den forskel i vanskelighed ligger til grund for det meste af den kryptering, der bruges i dagens computersystemer.
Kvantecomputere, derimod, har let ved faktorisering, for de kan i en enkelt operation undersøge samtlige talkombinationer, der kan give et bestemt tal.
Konsekvensen er, at kvantecomputere vil trække tæppet væk under den nuværende form for kryptering. I takt med at selskaber og efterretningstjenester får adgang til kvantecomputere, er man nødt til at finde nye måder at kryptere alle de informationer, som i dag sendes over nettet, eller de enorme mængder data, som i dag er gemt og sikret med klassisk kryptering.
Til gengæld kan kvanteteknologi også bruges til at skabe nye former for kryptering, som i teorien vil være umulig at bryde. Der findes allerede systemer, der anvender kvantekryptering, bl.a. har Kina etableret en krypteret forbindelse mellem en satellit og en jordstation, hvor signalerne er kodet med kvanteteknologi.
Den optimale løsning ud af milliarder af muligheder
”Med en almindelig computer foretager man en operation ad gangen, hvorimod kvantecomputere kan lave mange operationer samtidig – rigtig mange, dvs. millioner af samtidige operationer,” forklarer professor Ulrik Lund Andersen, der leder Center for Macroscopic Quantum States på DTU’s institut for fysik.
Andrew Fursman, direktør i den canadiske kvantesoftwarevirksomhed 1QBit, bruger et eksempel med 250 lamper omkring scenen i et teater:
”Hvilken kombination af indstillinger af de 250 lamper er den optimale, når det gælder om at belyse det, der vises? Det vil tage enormt lang tid for en almindelig computer at teste alle de mulige indstillinger, men en kvantecomputer kan på én gang betragte et meget stort udfaldsrum for at finde det optimale resultat,” forklarer Andrew Fursman.
Fursmans selskab arbejder bl.a. på at udvikle løsninger til finansverdenen, som kan analysere, hvilken sammensætning af investeringer der vil være optimal i en brugers portefølje.
Volkswagen viste for nylig, hvordan de forsøger at anvende kvantecomputere til systemer, der kan regulere trafikken i en storby ved at lave lynhurtige samlede vurderinger af ekstremt store mængder af data om bilister, busser, fodgængere, vejarbejde osv.
Andre anvendelser kan være planlægningen af, hvordan et luftfartsselskab sender fly rundt i verden, eller hvordan rederier optimerer den måde, fragt fordeles, og skibene sejler.
Modellering af nye materialer og stoffer
Et tredje og stort anvendelsesområde er udvikling af nye materialer eller ny medicin. Her kan man lave en meget præcis simulering af stofferne, inden man udvikler dem i virkeligheden.
Ulrik Lund Andersen mener, at en af de første praktiske anvendelser af kvantecomputere bliver som et redskab i udviklingen af stærkere og lettere materialer til at konstruere fly, personlig medicin målrettet mod sygdomme, som i dag er uhelbredelige, eller metaller, der er superledende ved almindelige temperaturer.
Ved at modellere nye stoffer på en computer kan man hurtigere gennemgå et meget stort antal kandidater til en bestemt effekt, og man kan i princippet designe stofferne, som man ønsker dem.
”Det gør man i dag på almindelige computere, men man er nødt til at lave mange tilnærmelser for at kunne regne på det. Med kvantecomputere kan man simulere det eksakt, så man præcist kan forudsige et nyt stofs egenskaber, eller hvordan det vil reagere med omgivelserne,” siger Ulrik Lund Andersen.
Kvantecomputerne vil bo i skyen
Selvom kvantecomputere kan føre til videnskabelige gennembrud, og selvom teknologien ser ud til at føre til radikalt hurtigere og kraftigere computere, vil de fleste mennesker ikke bemærke det direkte – lige så lidt som vi tænker over, om strømmen i stikkontakten er lavet med kul, vind eller ved at spalte atomer.
Der kommer ikke til at stå en kvantecomputer på skrivebordet, og der vil ikke være kvantecomputerchips indbygget i fremtidens smartphone eller armbåndsur.
Kvantecomputere er ekstremt sårbare for forstyrrelser. Den særlige kvantetilstand, der er kernen i teknologien, kræver typisk, at operationerne foregår ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt og fuldstændigt afskærmet fra vibrationer og stråling.
Derfor kommer kvantecomputere til at stå i ’skyen’, eller mere konkret i de store datacentre, hvor størstedelen af den computerkraft og de informationer, vores utallige smarte devices trækker på, befinder sig.
I datacentrene vil de stå side om side med klassiske computere, og de vil fordele arbejdet imellem sig, alt efter hvilken type computer der er bedst til at løse en bestemt opgave.
”Før havde man én type computer, som blev brugt til at alle slags beregninger, men nu ser vi i stigende grad, at der udvikles computere til specielle formål, f.eks. til kunstig intelligens. Kvantecomputere er formentlig ikke den bedste teknologi til at vise Netflix, og det gør klassiske computere fint i forvejen, så vi vil se en arbejdsdeling, hvor beregninger fordeles og sendes frem og tilbage mellem forskellige typer processorer,” siger Andrew Fursman fra 1QBit.
Mindst 20 år, før teknologien er moden
Og hvornår kommer de så, disse utrolige maskiner?
Charles Marcus forventer, at der inden for ti år vil være kvantecomputere, der løser virkelige problemer, som klassiske computere ikke kan klare.
Cathal Mahon fra Qubiz forventer, at der vil være hybridcomputere, der fungerer som en blanding af klassiske computere og kvantecomputere inden for ti år.
Men en ren kvantecomputer, der kan klare de fleste typer af beregninger og betjenes med den samme enkelthed, som vi kender fra en PC, ligger 20, måske 30 år ude i tiden, mener både Mahon, Fursman og Ulrik Lund Andersen.
Altså omkring år 2038 – eller senere. Det er lange udsigter.
Niels Bohr instituttets forskning i kvantecomputere foregår i et stort lokale spækket med dyrt og højt specialiseret grej, der kan skabe de helt specielle “kvantetilstande” som er nødvendige. FOTO: Arthur Cammelbeeck
Kvantecomputere er baseret på fænomener, som kun optræder, når man arbejder helt nede på partikelniveau. Dernede opfører verden sig meget anderledes, end vi er vant til.
Niels Bohr syntes også, det var svært: ”Hvis man kan sætte sig ind i kvantemekanik uden at blive svimmel, har man ikke forstået noget af det,” sagde han tilbage i 1930’erne.
Bits har været de grundlæggende byggesten for de seneste årtiers digitale revolution. Bits er binære, de kan have to værdier: nul eller et. Når man laver beregninger, og når man sender informationer rundt eller lagrer dem, er det altid i form af lange strenge af bits; nuller og ettaller.
I kvantecomputere arbejder man i stedet med ’qubits’, der har den specielle egenskab, at de kan have mange værdier samtidig.
En qubit er en partikel, som man sætter i en kvantetilstand, hvor det ikke er afgjort, hvilken værdi partiklen udtrykker. Derfor kan den teoretisk have flere værdier samtidig – indtil man vælger at måle på den. Det kaldes 'superposition’, og det betyder, at man også kan regne på flere mulige værdier samtidig.
Når en partikel er i denne særlige kvantetilstand, kan den også være forbundet med en anden partikels tilstand, så partiklerne er kvantemekanisk sammenfiltrede – det kaldes ’entanglement’.
Når man måler en sammenfiltret qubits værdi, vil dens værdi øjeblikkeligt påvirke og afgøre værdien af den anden qubit, den er filtret sammen med. Det svarer til, at der bliver foretaget to sammenkædede beregninger, som hver har arbejdet med et antal mulige udfald.
Derfor stiger det samlede antal beregninger drastisk, jo flere qubits man sammenfiltrer. Der skal ikke ret mange qubits til, før regnekraften – i hvert fald i teorien – langt overgår selv de kraftigste konventionelle computere.
I øjeblikket er de største kvantecomputere i stand til at koble omkring 50 qubits sammen, men i praksis er systemerne imidlertid så ustabile, at en stor del af regnekraften går tabt.
Resultaterne drukner i støj
Kvantefysiske fænomener som superposition og entanglement optræder kun under meget specielle forhold, og en stor del af udfordringen ved at bygge kvantecomputere er at konstruere udstyr, der kan fastholde en enkelt partikel, f.eks. et atom, tilstrækkelig længe i kvantetilstanden til, at man kan lave en beregning – og det skal ske, samtidig med at alle de andre qubits også er i kvantetilstanden. Hvis en eller flere qubits falder ud, spreder det støj igennem hele systemet.
På en klassisk computer kan man fejlrette ved at gennemføre den samme udregning flere gange, men i kvantecomputere kan man være nødt til at lave beregninger tusindvis af gange. Fordi systemerne er så skrøbelige, kan hele gevinsten blive ædt op af fejlretning.
Man er stadig ikke er nået til det punkt, som kaldes ’quantum supremacy’, hvor en kvantecomputer kan gennemføre en beregning hurtigere, end den laves med en klassisk computer. Det behøver ikke at være en beregning, der har praktisk anvendelse, men blot en eller anden matematisk funktion, en kvantecomputer er bedre til at udføre.
De fleste regner med, at den milepæl vil blive nået inden for et år eller to. Senest har Google indgået et samarbejde med NASA om at bruge Googles 72-qubit chip til at demonstrere quantum supremacy, og man håber at kunne vise resultater allerede om et halvt år.
Vidt forskellige hardwarefilosofier
Der er flere, vidt forskellige filosofier og metoder at bygge kvantecomputere ud fra, hver med deres fordele og ulemper. Nogle er meget hurtige, men til gengæld ustabile og plaget af støj. Andre er langsomme og mere stabile, men de vil være meget svære at skalere til store computersystemer.
Generelt er det yderst følsomme teknologier. For at fastholde kvantetilstanden skal systemet typisk være fuldstændigt isoleret fra omverden, så det ikke påvirkes af vibrationer eller radiobølger.
IBM, Google og D-Wave, et canadisk selskab, der allerede sælger kvantecomputere, udvikler chips, der er er baseret på fænomenet ’superledning’.
Ved temperaturer meget tæt på minus 273,15 grader – det absolutte nulpunkt – er der ingen modstand for elektrisk strøm, og derfor kan strømmen løbe begge veje samtidig. Her er det altså den meget svage elektriske strøm, der er i kvantetilstanden, hvor det ikke er afgjort, hvilken værdi den har.
En anden strategi – som bl.a. udvikles på DTU’s center for kvantefysik – bygger på fotoner, den mindste enhed for lys, som kan bruges til at styre og aflæse retningen af elektroners spin i diamanters krystalstruktur.
Microsoft satser på en helt tredje tilgang, der bl.a. afhænger af en særlig form for partikelfænomener, ’anyoner’, der kan opstå i særlige materialer. Anyoner er svære at lave og detektere, men de kan være robuste over for forstyrrelser.
Meget passende for kvanteteknologien er det stadig et åbent spørgsmål, hvilken teknologi der ender med at blive den dominerende.
Det er dog slet ikke sikkert, at det lykkes at udvikle brugbare kvantecomputer inden for de kommende årtier. Der er stadig masser af grundlæggende udfordringer, og som udenforstående – eksempelvis politikere eller virksomhedsledere, der skal bevillige penge – er det ekstremt vanskeligt at vurdere chancerne for succes.
