Hvor langt er vi med kvanteteknologierne? Og hvad mener vi egentlig, når vi bruger ordet kvante? Seniorrådgiver Ulrich Busk Hoff har i flere år forsket i og kommunikeret om kvantefysik. Han giver her et overblik over et felt, som er i rivende udvikling.
Hvad er kvanteteknologi?
Det er det felt af teknologier, hvor kvantefysikken udnyttes aktivt. Dvs. teknologier, der kun kan lade sig gøre, fordi man udnytter kvantefysiske fænomener. Det er typisk fænomener som superposition, hvor et objekt, f.eks. et atom, kan antage mere end én værdi eller befinde sig på mere end ét sted på samme tid, og entanglement, hvor et objekt, f.eks. et atom, er fysisk adskilt fra et andet atom, men de alligevel er forbundne, så en påvirkning af det ene atom også vil påvirke det andet.
Kvantefysikken er mere end 100 år gammel, så hvad er det nye?
Idéerne er rigtignok gamle – helt fra Niels Bohrs og Einsteins tid – men vi er nu nået til et stadie, hvor teorierne er blevet eftervist, og vi kan begynde at udnytte dem i praksis. Det kan vi, fordi vi i dag kan kontrollere kvantefysiske systemer som f.eks. atomer, elektroner eller fotoner på en sådan måde, at de kan bruges til teknologiske løsninger som kryptering, sensorer og computere – omend det meste stadig kun kan lade sig gøre i laboratorier.
Hvilken kvanteteknologi er mest moden?
Vi er ret langt fremme med kryptering og sensorer. I det forgangne år har DTU været med til flere demonstrationsforsøg, hvor der blev sendt kvantekrypteret data mellem to geografiske lokationer. Inden for kvantesensorer findes der allerede i dag mange forskellige typer, som kan måle fysiske størrelser med ekstrem præcision. Nogle kan måle meget små variationer i tyngdefeltet. Det kan bl.a. udnyttes ved anlægsarbejder, hvor man kan kortlægge undergrunden, inden man bygger, eller til at forudsige jordskælv. Andre sensorer måler magnetfelter fra f.eks. muskelaktivitet og nervebaner og har stort potentiale inden for bl.a. medicinsk diagnosticering. Magnetfeltsensorer kan også bruges til militære formål som navigation. Kvantecomputeren er nok den mest umodne teknologi.
Hvorfor er der så meget hype om kvantecomputeren?
Der er flere årsager. Det, der startede hypen, og som på sin vis stadig driver den, er en algoritme til kvantecomputere, som den amerikanske matematiker og professor ved MIT Peter Shor udviklede i 1994. Shors algoritme gør det muligt for en kraftig kvantecomputer at bryde RSA-kryptering. Det er den kryptering, der i høj grad anvendes, når vi sender data på internettet.
Men der er også en klar formodning om, at kvantecomputere på sigt vil kunne klare mange andre udregninger, som er umulige på en almindelig computer. Derfor forudser man et kæmpe markedspotentiale for kvantecomputeren. Der er med andre ord mange penge at tjene for dem, der kan realisere kvantecomputeren.
Og så skyldes hypen til dels også, at kvantecomputeren er så svær at udvikle, og at den udnytter kvantefænomener, som er uforståelige for mange. Fascinationen af teknologien i sig selv bidrager til hypen.
Hvornår har vi kvantecomputere?
Vi er stadig meget langt fra at have den fuldt udviklede kvantecomputer. Det er stadig uafklaret, hvilket fysisk system der skal udgøre de kvantebits, som kan udnyttes kvantemekanisk inden i kvantecomputeren. Nogle afprøver fotoner, andre atomer eller ioner – og andre igen afprøver elektroner i superledende materiale. Nogle steder bruger man mekaniske svingninger. Der forskes og udvikles inden for alle disse platforme rundtom i verden.
Beregninger viser, at det kræver en kvantecomputer på 10-20 mio. kvantebits at bryde en RSA-kryptering. Lige nu er den største kvantecomputer i omegnen af 430 kvantebits. Så der er et stykke vej endnu. Så med fare for at blive til grin for eftertiden, så vil jeg gætte på, at det tager yderligere 20 år, før vi har en kvantecomputer, der lever op til de forventninger.
Får jeg en kvantecomputer derhjemme?
Nu svarer jeg ud fra, hvor teknologien er i dag, og hvad vi tror, at en kvantecomputer vil blive god til – og med dette in mente, så vil mit bud være, at kvantecomputere ikke bliver noget, vi får i vores hjem. Den vil være beregnet til meget specifikke og store beregninger. Det bliver ikke en computer, vi kan gå på Facebook med eller se YouTube-videoer med.
Jeg vil tro, at kvantecomputeren får en rolle ligesom HPC (high performance computing, red.), som man i dag kan købe sig adgang til, hvis man har brug for at udføre store beregninger. Men jeg kan tage helt fejl. Teknologi udvikler sig ofte helt anderledes, end vi forudser, så måske går vi alle rundt med en kvantecomputer i lommen om 30 år.
Hvorfor skal jeg interessere mig for kvantefysik?
Kvantefænomener som superposition og entanglement er en vildt fascinerende del af naturen, som kan afføde undren og inspirere til helt nye tanker hos os mennesker. I stedet for at ræse gennem verden med skyklapper på får det os til at stoppe op og erkende, at der er meget mere ved naturen, end vi lige kan se. Det er ligesom med stjernehimlen. Vi kunne som udgangspunkt være ligeglade med sorte huller og ’dark matter’, men jeg synes, at det handler om både fascination, om almen dannelse og om at være bevidst om, hvad naturen egentlig rummer.
Lige nu møder vi ikke anvendelserne af kvanteteknologien i vores hverdag. Det medvirker til, at når vi taler om dem, så er vi henvist til at tale om kvantefænomenerne. De udfordrer os, for vi har ingen erfaringer med f.eks. superposition i vores synlige verden, som jo er styret af den klassiske fysik, hvor objekter som f.eks. en stol kun kan befinde sig ét sted i rummet.
Men jeg tror, at når vi begynder at anvende kvanteteknologi, så holder vi op med at fokusere på de bagvedliggende kvantefænomener. Sådan er det jo med andre teknologier, som f.eks. pc’er og mobiltelefoner. De fleste af os tænker ikke over, hvordan de virker. Men vi ved jo godt, hvordan vi skal bruge dem.
