Kvantecomputeren er ikke ferdig - men vår kunnskap blir stadig dypere

Google publiserte nylig en ny banebrytende algoritme på sin Willow-kvanteprosessor, Quantum Echoes, som demonstrerte den aller første verifiserbare kvantefordelen.

Kvantecomputere har fått ny aktualitet med AI. Hyperscaleren Alphabet/Google er ledende innen AI via Google Quantum AI, Willow Chip, error correction, Cirq er et Python programvare bibliotek utviklet av Google for å skrive, manipulere og optimalisere kvantekretser for kvantecomputere. AI vil være integrert i alle funksjonene Google leverer, og kvantecomputere vil øke mulighetene for kolossale beregninger med bruk av AI.

Kvantecomputere er ikke monetisert ennå, men penger til utvikling finnes fra mange investorer med dype lommer.

Hypotesen er å lage maskiner med kolossal kapasitet

Man arbeider nå ut fra at kvanteprosessorer (QPU-er) vil ha en utrolig verdi når de kommer, fordi de kan løse problemer som vi faktisk ikke kan løse på GPU-er (grafikkprosessorer) og CPU-er (sentralprosessorer) på kort sikt, og innen vanlige økonomiske rammer. Slik er det man snakker nå.

Nye meldinger fra Alphabet om fremdrift og positiv effekt av AI publiseres i mediene, men kvantecomputere utvikles langsomt. IBM har intensjoner om å få kvantecomputere i gang innen 4-5 år, men vil ikke love noe. Inntektene fra kvantecomputere er ennå minimale, og det finnes ingen selvstendige produsenter av kvantecomputere som har noe særlig inntekter.

Nvidia-sjef Jensen Huang sa: "En dag vil vi ha svært nyttige kvantedatamaskiner, men vi er sannsynligvis 15 til 30 år unna nyttige kvantedatamaskiner."

Kvantecomputere har vært et av de mest omtalte områdene innen teknologi de siste tiårene. De representerer en radikal ny tilnærming til databehandling, med potensial til å løse problemer som i dag er utenfor rekkevidde for selv de mest avanserte klassiske superdatamaskiner. Men hva er kvantecomputere, og hvorfor tar utviklingen så lang tid?

Bildet over er del av en av Googles Sycamore kvante-computere under utvikling. Ta med at qubits kan eksistere i en superposisjon som er definert av mulige sannsynligheter.

Hva er kvantecomputere?

En kvantecomputer er en type datamaskin som utnytter prinsippene fra kvantemekanikk, en gren av fysikken som beskriver oppførselen til partikler på atom- og subatomnivå. I stedet for å bruke klassiske bits som er enten 0 eller 1, bruker kvantecomputere qubits (kvantebits). Qubits kan eksistere i en superposisjon, noe som betyr at de kan være både 0 og 1 samtidig.
De kan også være sammenflettet (entanglement), noe som gjør at tilstanden til én qubit er direkte avhengig av en annen, uansett avstand. Disse egenskapene kan gi kvantecomputere en enorm parallell beregningskraft og muligheten til å løse komplekse problemer mye raskere enn klassiske datamaskiner.

Litt historie

Ideen om kvantecomputere ble først introdusert av fysikeren Richard Feynman i 1981 - for snart 50 år siden - som foreslo at kvantemekaniske systemer kunne simulere seg selv mer effektivt enn klassiske maskiner. På 1990-tallet kom de første gjennombruddene, som Shors algoritme, som kan faktorisere store tall mye raskere enn klassiske algoritmer. Dette skapte stor interesse, spesielt innen kryptografi.

I løpet av de siste to tiårene har selskaper som IBM, Google, og startups som Rigetti og IonQ jobbet med å utvikle fungerende kvantecomputere. Google annonserte i 2019 at de hadde oppnådd kvanteoverlegenhet, ved å løse et spesifikt problem mye raskere enn en klassisk superdatamaskin.

Hva kan kvantecomputere gjøre?

Kvantecomputere har potensial til å transformere mange felt:

• Kjemi og materialvitenskap: De kan modellere komplekse molekyler og reaksjoner, noe som kan føre til utvikling av nye medisiner og materialer.
• Optimalisering: Kvantealgoritmer kan løse komplekse logistikk- og optimaliseringsproblemer, som effektiv ruting av transport eller energiforvaltning.
• Kunstig intelligens: De kan akselerere maskinlæring og forbedre AI-modeller.
• Kryptografi: Mens de truer tradisjonell kryptering, kan de også bidra til utviklingen av nye, kvantesikre krypteringsmetoder.

Hvordan virker de?

Kvantecomputere opererer ved å manipulere qubits gjennom kvanteporter, som tilsvarer logiske operasjoner i klassiske datamaskiner. Prosessen krever ekstrem presisjon og beskyttelse mot støy (feil). For å unngå forstyrrelser, holdes qubits ofte ved svært lave temperaturer, nær det absolutte nullpunkt.

Kvantefeilkorreksjon, en teknikk for å håndtere støy og feil, er et kritisk område for å oppnå pålitelig kvanteberegning. Dette er en av de største utfordringene i feltet.

Hvor står vi i dag?

Selv om det er gjort betydelige fremskritt, befinner kvantecomputere seg fortsatt i en tidlig fase. Nåværende systemer, ofte kalt Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)-maskiner, har begrenset antall qubits og høy grad av støy. De er nyttige for forskning, men ikke for kommersiell bruk i stor skala.

Samtidig ser vi økt investering og samarbeid fra både private selskaper og regjeringer. EU, USA og Kina har alle store satsinger på kvanteteknologi.

Hvorfor tar utviklingen så lang tid?

Kvantecomputere møter fundamentale tekniske utfordringer:

• Dekoherens: Qubits mister raskt sin kvantetilstand når de påvirkes av omgivelsene.
• Feilretting: Å bygge systemer med tilstrekkelig feilkorreksjon krever enorme ressurser og mange qubits.
• Produksjon: Det er svært utfordrende å lage pålitelige og identiske qubits.

I tillegg krever kvanteberegning en helt ny tilnærming til programmering, noe som gjør det nødvendig å utvikle nye programmeringsspråk og algoritmer.

Fremtiden for kvantecomputere kommer

Til tross for utfordringene, er optimismen stor. Eksperter mener at vi vil se praktiske kvantecomputere innen et par tiår. Disse kan revolusjonere alt fra helsevesen til økonomi og transport. Inntil da er kvantecomputere en påminnelse om hvor langt teknologi kan drive oss, men også om hvor komplekse de mest grunnleggende prinsippene i naturen er.

Kvantealderen er ikke helt her enda, men den kommer – og den vil forandre verden sier de. I hele min voksne levetid har de samme historiene om stor optimisme og store offentlige og private investeringer vært her. Samtidig har lite skjedd med kvantefysikken per se - det er nok her vi må finne ny kunnskap først.

Norsk forskning er med i kvanteforskningen via Norsk Kvanteklynge - Et samarbeid som skal forsterke norsk satsing innen kvante-vitenskap og -teknologi.

Link

Norsk kvanteklynge - Et samarbeid som skal forsterke norsk satsing innen kvante-vitenskap og -teknologi

Google: Our mission is to build quantum computing for otherwise unsolvable problems.

Cirq - An open source framework for programming quantum computers

Quantinuum: Advancements in Logical Quantum Computation: Demonstrations and Results

Bilde fra Google nettside