Software, It sikkerhed og kryptering

Kvantespringeren

Foto: Ole Hoff-Lund

Kvantefysiker Jessica Pointing har været fascineret af kvantecomputere, lige siden hun var 12 år gammel.

Kvantecomputere fik et gennembrud i efteråret, da Googles kvante­computer, Sycamore, i overlegen stil besejrede de kendte supercomputere ved beregningen af et komplekst matematisk problem. Kvantefysiker Jessica Pointing har fulgt med på nærmeste hold og spår, at kvantecomputere vil give menneskeheden fantastiske opdagelser i fremtiden. Spørgsmålet er bare, hvad de egentlig kan.

Det er svært ikke at blive forpustet, når man læser om Jessica Pointings meritter.

I en alder af blot 24 år har den britiske forsker allerede studeret på flere af verdens bedste universiteter, hun har modtaget et hav af priser og hædersbevisninger, hun har rådgivet store investeringsbanker om start up-virksomheder, og hun er lige nu i gang med at afslutte sin ph.d. i fysik og computer science.

Senest er hun udvalgt til magasinet Forbes’ liste over de mest lovende forskere under 30 år på grund af sit arbejde med kvantecomputere. En passion, hun har haft, siden hun som 12-årig hørte om kvantefysik på en teknologicamp i sin fødeby Reading i Storbritannien.

– Jeg blev så fascineret af teknologiens muligheder, at jeg besluttede mig for at studere fysik. Den drøm har jeg forfulgt lige siden. Nu handler det bare om kvantefysik og fremtidens computere, siger Jessica Pointing.

Hun er på besøg i Danmark i forbindelse med it-konferencen GOTO Copenhagen, og København er faktisk hendes andet hjem. For ti år siden flyttede hun med sine forældre til København, hvor hun tog studentereksamen på Copenhagen International School, og hun nåede at bo i Danmark i fire år, inden hun rejste til USA for at gå på college.

– Jeg kan tale en lille smule dansk, siger hun på dansk og griner, inden hun igen slår over i engelsk.

– Det fik jeg brug for på Harvard University, hvor der er krav om at følge et sprogfag. Så jeg valgte at studere dansk, mens jeg tog min bachelor i fysik og computer science, siger hun.

Forinden studerede hun to år på MIT i Boston hos den amerikanske professor Seth Lloyd, der betegner sig selv som ”kvantemekanikeren”, og efter Harvard søgte hun ind på Stanford University, hvor hun lige nu er i praktik på NASAs Quantum Artificial Intelligence Lab, mens hun skriver sin ph.d. om kvantecomputere.

– Det er en fundamentalt anderledes ny form for computer, der kan hjælpe os med at løse meget indviklede problemer markant hurtigere. Jeg fokuserer på softwaredelen. Jeg prøver at finde ud af, hvad vi kan bygge og programmere med en kvantecomputer. Det er umuligt at sige, hvor vi ender, men jeg er overbevist om, at vi om nogle år vil se fantastiske resultater, siger Jessica Pointing.

Kvantecomputere fungerer kun, hvis qubits nedkøles til temperaturer, der er koldere end det ydre rum. Foto: IBM Research

Kvanteoverlegenhed

Blot en måned før hendes besøg i Danmark er dele af forskerverdenen gået i ekstase over et muligt gennembrud for kvantecomputere i Googles laboratorium i Santa Barbara i Californien.

Det er her, Google har bygget en kvantecomputer med en 54 qubit processor kaldet Sycamore, og den 23. oktober sidste år meddelte Googles AI Quantum Team, at det var lykkedes at opnå kvanteoverlegenhed eller ”quantum supremacy”.

Vi har opnået kvante­over­legenhed, men næste milepæl er at få kvante­computeren til at løse et nyttigt problem

Kort fortalt kørte forskerne på samme tid et afsindigt vanskeligt matematisk problem gennem Sycamore og supercomputeren Summit, og da de gradvist skruede op for kompleksiteten og hastigheden af beregningerne, kom supercomputeren til kort.

Hvor Sycamore knuste problemet på 200 sekunder, viste beregninger, at supercomputeren skulle bruge 10.000 år på at knække nøden. Og selv om Googles påstand om kvanteoverlegenhed blev modtaget med kølig skepsis hos IBM – der også har opnået lovende resultater med kvantecomputere – så er status lige nu, at Google kan prale af at have taget et kvantespring ind i fremtiden.

At det problem, som Sycamore løste, ikke har nogen som helst praktisk værdi uden for kvantemekanikkens verden, er i den forbindelse lige meget, mener Jessica Pointing.

– Det vigtige er, at vi er gået fra, at kvantecomputeren ikke havde løst noget problem, til at den nu har løst ét konkret problem. Så nu ved vi positivt, at den er i stand til at løse problemer. Hidtil har vi kun simuleret de ting, som en kvantecomputer kan gøre. Der er en verden til forskel, siger hun.

Gå ind i fremtiden

Jessica Pointing har selv besøgt Googles laboratorium i Santa Barbara og set vidundermaskinen, men hun kan ikke fortælle meget, for hun har underskrevet en tavshedsklausul.

– Det var som at gå ind i fremtiden. Forestil dig en stor science fiction fryser, der er nedkølet til temperaturer, som er koldere end det ydre rum. Selve kvantechippen er lillebitte og placeret på bunden af fryseren, som befinder sig i et vakuum. Der er ingen luft overhovedet og heller intet lys, siger Jessica Pointing.

Forskere arbejder på en af IBM's kvantecomputere. Foto: IBM Research

En af grundstenene for kvantecomputeren er begrebet superposition, som kendes fra fysikkens og kemiens verden, hvor partikler, elektroner, atomer og molekyler følger kvantefysikkens love.

Hvor nutidens computere alle er bygget op på bits og cifrene 0 og 1, så kan en quantum bit – eller qubit – være både 0 og 1 eller en kombination af begge på samme tid. Denne superposition skaber enorme muligheder og mange flere muskler end i nutidens computere.

– Kvantefysikken er overvældende. Superposition betyder, at når du sætter computerens processor i gang, så kan den arbejde med alle kombinationerne af 0 og 1 på én gang i stedet for blot at arbejde med én kombination ad gangen, siger Jessica Pointing og tilføjer, at for hver qubit, der tilføjes, stiger computerkraften eksponentielt.

Det betyder, at en kvantecomputer med 300 qubits i superposition vil få 1090 kombinationer. Det er et 1-tal med 90 nuller. Den tekniske forklaring er, at hver gang, du har n qubits, svarer det til 2n bits.

– Det er et vanvittigt tal. Det er højere end det kendte antal af atomer i universet, siger Jessica Pointing.

Liv og lys

Den store udfordring for forskerne er at fastholde qubits i superposition over længere tid, og jo flere qubits, der er, jo vanskeligere er det at fastholde deres superposition.

– Systemet er så skrøbeligt, at et atom eller en luftpartikel kan slå dem ud af kurs, så de mister deres superposition. Derfor er det helt afgørende at isolere kvantecomputeren fra alt, der kan forstyrre den. Både lys og luft er jo partikler, som kan forstyrre quantum-chippen og i sidste ende de beregninger, den foretager, siger Jessica Pointing.

Dermed berører hun en af de allervæsentligste årsager til, at kvantecomputere fortsat befinder sig på et udviklingsstadium, hvor kun it-giganter og de store universiteter kan lege med. Kvantecomputere er skrøbelige. Overlegne, måske, men skrøbelige.

Noget af det mest interessante ved Googles forsøg er derfor, at det lykkedes at holde Sycamore kørende stabilt i 200 sekunder.

Medicin og molekyler

Men selv om en kvantecomputer er fundamentalt anderledes end en konventionel computer, så kan den ikke løse alle typer problemer hurtigere.

Konkret peger den unge ph.d.-forsker på områder som medicin, nye materialer og kunstig intelligens som områder, hvor der umiddelbart er de bedste udsigter for at gøre kvantecomputere brugbare. Kvantecomputere følger kvantefysikkens regler, og i den ideelle verden vil forskere kunne simulere og forstå, hvordan molekyler opfører sig, forklarer Jessica Pointing.

– Når vi udvikler ny medicin i dag, så sker det på baggrund af en lang række forsøg, hvor vi undersøger, hvordan medicinen interagerer med kroppens molekyler. Med en kvantecomputer kan vi formentlig simulere medicinens virkning og dermed udvikle helt nye typer medicin, siger hun.

Det samme gør sig gældende for udviklingen af nye typer materialer – eksempelvis til at forbedre mobiltelefoner og computere eller i byggebranchen og beklædningsindustrien. På sigt mener hun, at kvantecomputerne også vil kunne skabe nye muligheder inden for logistik, rumfart og i finansverdenen.

– Man kan sige, at kvantecomputere handler om at løse nogle af verdens uløste problemer, siger hun

Et kig ind i hjertet af IBM's kvantecomputer. Foto: IBM Research

Det Store Ukendte

Endemålet ligger fortsat mange år ude i fremtiden. Et sted, hvor det er muligt at bygge en stor og kraftfuld kvantecomputer med millioner af qubits.

– Den mellemliggende periode er det, jeg kaldet for Det Store Ukendte. Vi ved ikke, hvad der vil ske. Risikoen er, at der ikke sker de store fremskridt, før vi har bygget nogle virkelig store kvantecomputere, som til den tid vil kunne løse nogle vigtige problemer. Men forhåbentligt begynder vi at finde muligheder i de eksisterende kvantecomputere, siger Jessica Pointing.

Derfor opfordrer hun it-professionelle til at gøre sig overvejelser om perspektiverne, og om hvordan de kan drage fordel af de nye muligheder, der viser sig.

– Det kræver et nyt tankesæt hos udviklerne. Vi har opnået kvanteoverlegenhed, men næste milepæl er at få kvantecomputeren til at løse et nyttigt problem. Måske endda et kommercielt interessant problem.

3 spørgsmål til Jessica Pointing

VIGTIGSTE MILEPÆL?

At skabe begejstring for kvantecomputere og en dybere forståelse for deres nuværende og fremtidige potentiale – primært gennem de foredrag, jeg holder.

STØRSTE UDFORDRING?

Kvantecomputere ser imponerende ud og kræver meget plads, men vi skal skalere antallet af qubits op og reducere fejlprocenten, så de kører mere stabilt.

RÅD TIL IT-PROFESSIONELLE?

Den bedste måde at lære nyt er ved at prøve. IBM giver dig adgang til at kode på deres kvantecomputer på ibm.com/quantum-computing, hvor der også er tutorials.

CV Jessica Pointing

ALDER: 24 ÅR

UDDANNELSE: Bachelor i fysik og computer science ved Harvard University og Massachusetts Institute of Technology (MIT). Er i gang med ph.d. om kvantecomputere ved Stanford University.

KARRIERE: Praktikansættelser som pro­­grammør og rådgiver i Google, McKinsey, Goldman Sachs, Morgan Stanley og NASA. Vinder af IBM’s første kvantecomputer-hackathon.

botMessage_toctoc_comments_9210