Hva er kvanteberegning?

En helt ny type datamaskin

Kvanteberegning bruker prinsipper fra kvantemekanikken til å løse problemer som klassiske datamaskiner ikke kan håndtere praktisk, ifølge Store norske leksikon. I stedet for tradisjonelle bits (0 eller 1), bruker kvantedatamaskiner qubits som kan holde informasjon i en kombinasjon av flere tilstander samtidig – en superposisjon – ifølge IBM. Når qubits sammenfiltres, kan enkelte oppgaver, som søk, i teorien løses raskere enn med en klassisk datamaskin, ifølge SNL.

Hvor stor forskjellen kan bli på en avgrenset oppgave, viste Google i desember 2024: brikken Willow løste en referanseberegning på under fem minutter som ville tatt en av dagens raskeste superdatamaskiner rundt 10 septillioner (10 opphøyd i 25) år, ifølge Googles egen kunngjøring. Teknologien er fortsatt i en tidlig fase og løser i dag bare et fåtall spesialiserte oppgaver raskere enn klassiske datamaskiner.

Tall og trender

Forskningsmiljøer har bygget kvantedatamaskiner med over tusen qubits, ifølge Store norske leksikon, men langt flere kreves før teknologien kan løse nyttige oppgaver i stor skala. I desember 2024 viste Google at brikken Willow, med 105 qubit, for første gang oppnådde feilretting «under terskelen» – en milepæl feltet hadde jobbet mot i nesten 30 år, ifølge Google. IBM planlegger å levere IBM Quantum Starling, en feiltolerant kvantedatamaskin med 200 logiske qubit som skal kunne kjøre kretser med 100 millioner kvanteporter, innen 2029, ifølge IBMs egen kvantebloggpost. McKinseys kvanteteknologirapport fra mai 2024 anslo at kjemi, biovitenskap, finans og mobilitet til sammen kan hente ut opptil 2 000 milliarder dollar i verdi fra kvanteberegning innen 2035, ifølge tallene gjengitt av Quantum Zeitgeist.

Hvordan fungerer det

Kvanteberegning bygger på flere kvantemekaniske prinsipper. Superposisjon lar en qubit holde informasjon i en kombinasjon av flere tilstander samtidig helt til den måles, ifølge IBM. Entanglement sammenfiltrer to eller flere qubits slik at en måling av én qubit øyeblikkelig er korrelert med de andre – men fordi utfallet av hver måling er tilfeldig, kan sammenfiltring alene ikke brukes til å sende informasjon, ifølge Wikipedias artikkel om kvantesammenfiltring. Interferens forsterker sannsynligheten for riktige svar og svekker sannsynligheten for feil svar, slik at en måling til slutt gir riktig resultat oftere, ifølge IBM.

Praktiske anvendelser

IBM peker på legemiddelutvikling og simulering av kjemiske reaksjoner, materialvitenskap og finansiell modellering som blant de mest lovende bruksområdene for kvanteberegning, ifølge IBM. Maskinlæring og optimeringsproblemer nevnes også som områder der kvantealgoritmer kan gi et fortrinn etter hvert som teknologien modnes.

Kvanteberegning har også en side til cybersikkerhet: Shors algoritme fra 1994 viser i teorien hvordan en tilstrekkelig stor kvantedatamaskin kan bryte mye av dagens offentlig-nøkkel-kryptografi, ifølge IBM. Det er en av grunnene til at det amerikanske standardiseringsinstituttet NIST i august 2024 godkjente de første kvantesikre krypteringsstandardene – FIPS 203, 204 og 205 – og oppfordrer virksomheter til å begynne overgangen med en gang, siden full integrering tar tid.

Tekniske hindringer

Kvantedatamaskiner må kjøles til ekstremt lave temperaturer – for superledende qubits rundt hundre ganger kaldere enn én grad over det absolutte nullpunkt – for å fungere, ifølge IBM. Qubits mister raskt sin kvantetilstand gjennom støy og forstyrrelser fra omgivelsene, et fenomen som kalles dekoherens, ifølge Store norske leksikon.

Feilretting er derfor avgjørende, men vanskelig: forskerne brukte nesten 30 år på å komme dit at Google i desember 2024 kunne vise feilretting «under terskelen» på brikken Willow, der feilraten falt jo flere qubits som ble lagt til, ifølge Google. Manglende standardisering, programmeringsverktøy og ekspertise gjør det fortsatt vanskelig å ta teknologien i praktisk bruk utenfor forskningslaboratorier.

Veien til praktisk bruk

Selskapenes egne planer gir et konkret bilde av hvor fort feltet beveger seg: IBM har som mål å levere IBM Quantum Starling – en feiltolerant kvantedatamaskin med 200 logiske qubit som skal kunne kjøre kretser med 100 millioner kvanteporter – innen 2029, ifølge IBMs egen kvantebloggpost. Google har på sin side vist at feilretting «under terskelen», en forutsetning for større og mer pålitelige kvantedatamaskiner, er mulig med brikken Willow fra desember 2024.

Fordi en tilstrekkelig stor, feiltolerant kvantedatamaskin i teorien kan true dagens krypteringsstandarder, anbefaler NIST at virksomheter begynner å ta i bruk de nye kvantesikre standardene FIPS 203, 204 og 205 allerede nå, i stedet for å vente til truslene blir konkrete (NIST).