Værd at Vide: Det vilde kvantevesten

Kvanteteknologi er blevet talk of the town. I denne uge gik kvantesnakken højt på Carlsberg Academy i København i det imponerende hus, som bryggeren J.C. Jacobsen i midten af 1800-tallet byggede som bolig til sig selv og sin familie. Sidenhen fungerede huset gennem en årrække som æresbolig for skiftende, fremtrædende danske forskere, herunder Niels Bohr, som boede der fra 1931 til sin død i 1962. I Bohrs tid blev her ført intense og fundamentale diskussioner med udspring i den nye kvantemekanik, som blev udviklet i midten af 1920’erne på Bohrs insti­tut på Blegdamsvej. Så Carlsberg Academy var et passende valg til Niels Bohr Centennial Symposium om frontlinjeforskning inden for kvantefysik og -teknologi arrangeret i anledning af 100-årsjubilæet for Niels Bohrs Nobelpris i 1922 og som en del den coronaforsinkede fejring af 100-året for Niels Bohr Institutets oprettelse i 1921.

Topforskere fra ind- og udland kom vidt omkring i kvanteverdenen – fra fundamental fysik og matema­tik til de nyeste eksperimenter med kvantebits og udvikling af kvantecomputere. Alle, som indimellem må give op, når de hører om besynderlighederne i kvanteverdenen, kan trøste sig med, at mange af forsker­ne selv måtte indrømme, at de heller ikke var i stand til at følge alt, som blev lagt frem. Helt overordnet kan man dog konkludere, at man i dag næsten rutinemæssigt formår at styre og kontrollere ­kvantetilstande af mange meget forskellige kvantesystemer, hvad enten de baserer sig på fotoner, elektroner, ioner, neutrale atomer, superledende kredse eller noget helt andet. På mange måder virker kvanteforskning dog som det vilde vesten. Der bliver skudt på alle former for kvanter, der bevæger sig, med alle tænkelige midler. Men sådan må det vel være, indtil man finder ud af, hvad der i praksis fungerer bedst, og hvor de teknologiske gennembrud kan komme.

Det store spørgsmål er ikke, om kvanteteknologi kan være til nogen nytte, det er snarere, hvornår og inden for hvilke områder og i hvilken form kvanteteknologi i praksis vil være mest nyttig. Svarene er ikke helt så klare endnu. Flere deltagere på konferencen indrømmede i en pausesnak, at mange har en fear of missing out, da kvanteteknologi potentielt kan udkonkurrere klassiske teknologier. Når det specielt gjaldt kvantecomputere, blev flere dog betrygget om, at det nok kommer til at tage mange år, før de for alvor bliver til nytte.

De kunne tage et indlæg fra Matthias Troyer til indtægt for dette synspunkt. Troyer var i mange år professor ved ETH, det tekniske universitet i Zürich, før han skiftede til et fuldtidsjob hos Microsoft i Seattle. Mange har sikkert hørt, at kvantecomputere af en passende størrelse, som vi endnu ikke har, i modsætning til klassiske computere vil være velegnede til at faktorisere store tal, og at de dermed kan knække de mest gængse former for kryptering, der benyttes i dag. Det er også rigtigt, men Troyer forklarede, at det var totalt irrelevant. For længe inden da vil vi have indført helt andre former for krypteringsteknikker, som selv ikke kvantecomputere kan bryde. Når kvantecomputere bliver store nok til faktorisere store tal, vil det være et helt ligegyldigt problem.

Mange har sikkert ­opfattelsen, at når kvantecomputere kan løse problemer, som er umulige for klassiske computere, er det, fordi hardwaren tillader en hel masse beregninger lynhurtigt. Intet kan være mere forkert. Kvantecomputere regner både langsommere end almindelige computere, og de foretager færre input-/output-operationer i sekundet end klassiske computere. I begge tilfælde taler vi ikke kun om små forskelle. På disse afgørende parametre er klassiske computere flere størrelsesordner bedre end alle former for kvantecomputere. Årsagen til, at kvantecomputere alligevel kan være bedre end klassiske computere, er alene, at der til visse problemer findes kvantealgoritmer, som gør brug af færre operationer end tilsvarende operationer i en klassisk computer. Kvantecompu­tere regner langsommere, men de kan nøjes med at regne meget mindre. Som Matthias Troyer pointerede, skal kvantealgoritmer ikke kun være mange gange bedre end klassiske computere for at opveje kvantecomputerens hardware­begrænsninger, de skal allerhelst være eksponentielt bedre.

Den potentielle fordel, kvante­computere kan give, er dog også under pres, for udviklingen inden for high performance computing og ikke mindst maskinlæring har betydet, at målet så at sige hele tiden flytter sig. Klassiske computere er blevet bedre til at løse mange problemer, der tidligere var uden for rækkevidde. Det indsnævrer de interessante anvendelser for kvante­computere, mente Troyer. Nogle vil dog blive tilbage. De mest oplagte beregninger for en ­kvantecomputer er, måske ikke så overraskende, beregninger på kvantesystemer, f.eks. inden for kemi, materialeteknologi osv. – som at finde en effektiv katalysator for kulstoffiksering, der vil kunne bruges til at trække CO2 ud af atmosfæren og bruge det i kemiske reaktioner til fremstilling af metanol.

Jeg kunne ikke undgå at ­fundere over, hvad mon Bohr ville have tænkt, hvis han havde været til stede i sin gamle bolig for at følge nutidens kvantediskussioner. En førende kvanteteoretiker mente, at Bohr uden tvivl ville have fundet både symposiet, udviklingen og de nye muligheder meget ­interessante. Måske kunne han ligefrem have fungeret som en slags kvantesherif, der kunne havde bragt orden i det vilde kvantevesten.