Kvantefysikkens prinsipper omsatt til revolusjonerende teknologi
Kvantemekanikk er ikke bare abstrakt teori. Allerede i dag drives store deler av vår teknologi av kvantefenomener – transistoren, laser, GPS-systemer og MRI-maskiner er alle kvanteteknologi. Men vi er nå inne i en andre kvanteteknologirevolusjon, der vi bevisst designer systemer som utnytter superstilling og sammenfiltring.
En kvantedatamaskin bruker kvantebiter (qubits) i stedet for klassiske biter. En qubit kan være i en superstilling av 0 og 1 simultant, og to qubits kan være sammenfiltret. Dette gir en eksponensiell vekst i beregningskraft for visse problemer.
I 2019 annonserte Google at deres kvantebrikke Sycamore løste et problem på 200 sekunder som ville tatt verdens raskeste supercomputer 10 000 år. Debatten om hva "kvanteoverlegenhet" faktisk betyr pågår fortsatt, men retningen er klar.
Qubits er ekstremt følsomme for forstyrrelser fra omgivelsene – et fenomen kalt dekoherens. Store kvantedatamaskiner krever temperaturer nær absolutt nullpunkt og avansert feilkorrigering. Kommersielt nyttige kvantedatamaskiner for generelle formål er fortsatt noen år unna.
Kvantekretsdiagram: Bell-par-forberedelse
Kvantekommunikasjon bruker kvantefenomener for å overføre informasjon på måter som er fundamentalt sikre mot avlytting.
Med protokoller som BB84 kan to parter etablere en kryptografisk nøkkel der enhver avlytting er fysisk umulig å skjule. Hvis en tredjepart prøver å avlytte, kollapser kvantetilstandene og avsløres umiddelbart.
Kvanteteleportasjon overfører den eksakte kvantetilstanden til en partikkel til en annen, uten å flytte selve partikkelen. Informasjon raskere enn lys er fortsatt umulig – klassisk kommunikasjon er nødvendig.
Forskningsmiljøer arbeider med å bygge et kvanteinternet der noder er koblet via kvanterepeaters. Europa har et ambisiøst prosjekt for et pan-europeisk kvantenettverk innen 2030.
Post-kvantekryptografi: Selv uten kvanteinternet er kvantedatamaskiner en trussel mot klassisk kryptering. NIST standardiserte i 2024 de første kvanteresistente kryptografialgoritmene.
Kvantenøkkeldistribusjon mellom to parter
Kvantemåling er den mest modne grenen av kvanteteknologi og er allerede bredt i bruk. Kvantesensorer utnytter kvantefenomeners ekstreme følsomhet for å måle fysiske størrelser med enestående presisjon.
Cesium-atomklokker definerer det internasjonale tidssystemet med en nøyaktighet på ett sekund per 300 millioner år. De er grunnlaget for GPS og internettinfrastruktur.
Supraledende kvanteinterferensenheter (SQUIDs) kan måle magnetfelt milliarder av ganger svakere enn jordens. Brukes i medisinsk avbildning (MEG og MRI), geonavigasjon og deteksjon av ubåter.
Atom-interferometri gjør det mulig å måle gravitasjonsfeltets variasjon med ekstrem presisjon. Brukes til kartlegging av olje- og mineralforekomster, og overvåking av grunnvannsstand.
Å simulere kvantesystemer på klassiske datamaskiner er eksponensielt dyrt. En kvantesimulator – enten en programmerbar kvantedatamaskin eller et spesialdesignet kvantefysisk system – kan simulere molekyler og materialer direkte.
Nøyaktig simulering av proteinfolding og kjemiske reaksjoner kan drastisk akselerere utviklingen av nye medisiner. IBM, Google og startups som Quantinuum jobber allerede med farmasøytiske selskaper.
Simulering av høytemperatursupraledere, batterimateriell og katalysatorer for hydrogen-produksjon er blant de mest lovende bruksområdene.
Porteføljeoptimalisering, risikomodellering og derivatprising er optimaliseringsproblemer der kvantealgoritmer kan gi fordeler.
Molekylsimulering med kvanteberegning
Har tilgjengeliggjort kvantedatamaskiner via skyen siden 2016. Utvikler supraledende qubits og er ledende på feilkorrigering. Mål: 100 000+ qubits innen 2033.
Demonstrerte kvanteoverlegenhet med Sycamore (2019). Jobber mot feilkorrigerte logiske qubits og kvanteML-applikasjoner.
Bruker ionefeller som qubits – teknologi med ekstremt høy gate-nøyaktighet. Børsnotert, samarbeider med US Air Force og Amazon.
Pionér innen kvanteannealere for optimalisering. Har systemer med over 5 000 qubits og reelle kunder innen logistikk og farmasi.
Satser på fotoniske qubits og standard CMOS-fabrikasjon for å skalere til en million qubits. Samarbeider med GlobalFoundries.
Joint venture mellom Honeywell og Cambridge Quantum. Leder på ionefelle-nøyaktighet og kvantekjemi-applikasjoner.