Et sted inde i en bakterie foregår en kemisk proces, som mennesket stadig ikke fuldt ud forstår.

Bakterien tager kvælstof fra luften og gør det anvendeligt for levende organismer. Det lyder måske ikke umiddelbart som noget særligt. Luften omkring os består for størstedelens vedkommende af kvælstof, men de to kvælstofatomer i et kvælstofmolekyle holdes sammen af en usædvanligt stærk binding, og for planter er atmosfærens enorme lager af kvælstof derfor i praksis utilgængeligt.

Bakterien løser problemet ved hjælp af et enzym, nitrogenase. I centrum af enzymet findes en lille struktur af blandt andet jern, svovl, molybdæn og kulstof, og her brydes bindingen mellem kvælstofatomerne under forhold, der ville være bemærkelsesværdigt milde i et kemisk anlæg.

Vi mennesker kan også bryde bindingen. Det gør vi i industriel skala med Haber-Bosch-processen, som producerer ammoniak til kunstgødning, men processen kræver højt tryk, høj temperatur og et betydeligt energiforbrug. Naturen har fundet en anden vej.

Det mærkelige er, at vi godt kan se en stor del af maskineriet. Vi kender atomerne, kan undersøge enzymets struktur og beskrive de fysiske love, som gælder. Alligevel er det vanskeligt at regne præcist ud, hvad der sker.

Det skyldes ikke, at vores computere er langsomme. Tværtimod kan de største supercomputere udføre milliarder af milliarder af beregninger i sekundet. De kan modellere klimaet, simulere galakser, forudsige luftstrømme over flyvinger og beregne strukturen af proteiner, og deres kapacitet fortsætter med at vokse. Men der findes problemer, hvor mere regnekraft overraskende hurtigt holder op med at være hele løsningen.

Når man forsøger at beskrive elektronerne i et molekyle, kan man ikke behandle dem som små planeter, der kredser omkring atomkernerne ad faste baner. På denne skala følger naturen kvantemekanikkens regler. Elektronerne kan ikke uden videre beskrives uafhængigt af hinanden; deres mulige tilstande hænger sammen, og når antallet af partikler vokser, vokser antallet af mulige beskrivelser med en voldsomhed, som meget hurtigt bliver vanskelig at håndtere.

Hver gang endnu en elektron føjes til systemet, bliver opgaven større, men den vokser ikke nødvendigvis på den behagelige måde, hvor en dobbelt så stor computer blot kan bruge dobbelt så lang tid. Antallet af muligheder kan eksplodere.

Kemikere og fysikere håndterer naturligvis dette problem hele tiden ved hjælp af tilnærmelser, og de er blevet usædvanligt gode til det. Mange molekyler kan beskrives med stor præcision på almindelige computere. Men der findes systemer, hvor netop de kvantemekaniske detaljer er det interessante, og hvor elektronerne påvirker hinanden så stærkt, at forenklingerne begynder at koste.

Her opstår et mærkeligt paradoks. Vi lever i en verden, der følger kvantemekanikkens regler, men når vi vil regne på denne verden, oversætter vi den til en maskine, der grundlæggende behandler information på en anden måde.

Det var denne mærkelighed, der i begyndelsen af 1980’erne førte til en idé: Måske var problemet ikke alene, at computerne var for små. Måske brugte vi den forkerte slags computer.

Hvis naturen selv opfører sig kvantemekanisk, kunne man så bygge en maskine, der udnytter de samme regler til at foretage beregninger?

Det er begyndelsen på historien om kvantecomputeren, og allerede her bliver det tydeligt, hvorfor den mest almindelige beskrivelse af den er misvisende. At kalde en kvantecomputer for en meget hurtig computer svarer omtrent til at kalde et mikroskop for et meget godt par briller. Forskellen handler ikke først og fremmest om graden, men om måden maskinen fungerer på og dermed om, hvilke problemer den kan angribe.

Den computer, der står på et skrivebord, repræsenterer information i bits. En bit er enten 0 eller 1. En kvantecomputer arbejder derimod med qubits, som kan befinde sig i kvantemekaniske tilstande, hvor mulighederne ikke på samme måde kan reduceres til et enkelt 0 eller 1 under selve beregningen. Flere qubits kan desuden bringes i tilstande, hvor de ikke længere giver mening at beskrive fuldstændigt uafhængigt af hinanden.

Det betyder ikke, sådan som det undertiden fremstilles, at maskinen på magisk vis prøver alle tænkelige svar på én gang og derefter vælger det rigtige. Den forklaring er tillokkende, fordi den gør kvantecomputeren nem at forestille sig, men den er forkert.

Det, en kvantealgoritme forsøger at gøre, er mere subtilt. Beregningen arrangeres, så de kvantemekaniske muligheder kan påvirke hinanden; nogle bidrag kan forstærkes, mens andre udslukkes, og hvis algoritmen er konstrueret rigtigt, kan denne egenskab i bestemte tilfælde føre frem til et svar med langt færre beregningstrin end på en klassisk computer.

Netop ordene i bestemte tilfælde er afgørende, for her ligger en stor del af forskellen mellem kvantecomputeren som videnskab og kvantecomputeren som myte.

Der findes ingen naturlov, som siger, at en opgave bliver lettere, blot fordi man giver den til en kvantecomputer. En mail bliver ikke bedre af at blive skrevet på den, et regneark bliver ikke nødvendigvis beregnet hurtigere, og der er ingen oplagt grund til at have en kvanteprocessor i lommen for at tage billeder, se film eller læse nyheder. For langt de fleste af de beregninger, vi foretager i dag, vil den klassiske computer sandsynligvis fortsat være det bedste værktøj.

Kvantecomputeren bliver interessant dér, hvor problemet selv har en struktur, som en kvantealgoritme kan udnytte. Det er også derfor, kemien bliver ved med at dukke op, når forskere skal forklare, hvor teknologien en dag kan få betydning.

Et molekyle er allerede et kvantesystem. Når en klassisk computer forsøger at simulere det, skal den konstruere en matematisk beskrivelse af kvanteverdenen inde i en maskine, der ikke selv arbejder efter kvantemekanikkens regler på den relevante måde. En kvantecomputer tilbyder i princippet noget andet: et kontrolleret kvantesystem, der bruges til at undersøge et andet kvantesystem.

Hvis det lykkes i tilstrækkelig stor skala, kan konsekvenserne blive betydelige.

Forestil dig, at man leder efter et nyt batterimateriale. I dag kombinerer forskere teori, computersimuleringer og laboratorieforsøg. De kan frasortere dårlige kandidater, undersøge lovende stoffer og gradvist bevæge sig gennem de mange muligheder, men rummet af mulige materialer er enormt.

En tilstrækkeligt kraftig kvantecomputer vil måske kunne beskrive bestemte molekyler og materialer med en præcision, som er utilgængelig i dag. Det betyder ikke, at computeren selv opfinder fremtidens batteri, men den kan måske ændre, hvor forskerne leder, og hvilke muligheder de overhovedet er i stand til at undersøge.

Noget lignende gælder lægemidler, men også her bliver fortællingen let større end videnskaben. Man støder jævnligt på forestillingen om, at kvantecomputeren vil kurere kræft eller opfinde nye lægemidler. Problemet er, at sygdom er biologi, og menneskekroppen er langt mere end et kemisk ligningssystem. Et molekyle, der ser lovende ud i en beregning, kan vise sig at være giftigt, ustabilt eller uden virkning i en levende organisme.

Men hvis en del af problemet består i at forstå bestemte molekylære interaktioner bedre, kan mere præcise simuleringer stadig vise sig at være værdifulde. Kvantecomputeren ville i så fald ikke erstatte den videnskabelige proces, men føje et nyt instrument til den.

På samme måde kan man forestille sig nye katalysatorer, mere effektive industrielle processer eller materialer med egenskaber, vi endnu ikke har adgang til. Ikke fordi computeren ved, hvad mennesket har brug for, men fordi den måske kan gøre dele af et hidtil utilgængeligt mulighedsrum beregneligt.

Det er måske en af kvantecomputerens mest interessante fremtider: ikke først og fremmest at gøre det kendte hurtigere, men at gøre noget af det utilgængelige tilgængeligt.

Der findes et andet område, hvor perspektivet er mindre abstrakt. I 1994 blev der beskrevet en kvantealgoritme, som kan faktorisere store tal på en måde, der på en tilstrækkeligt stor kvantecomputer ville være dramatisk mere effektiv end de bedste kendte klassiske metoder.

Det lyder som en matematisk specialitet, men store dele af internettets sikkerhed er bygget på netop den slags problemer. Sikkerheden består ikke i, at en kode principielt er umulig at bryde, men i, at det med kendte klassiske metoder kan tage så urimeligt lang tid at gøre det, at koden i praksis er sikker.

En stor nok fejlkorrigeret kvantecomputer ville ændre det regnestykke. Den findes ikke endnu, men arbejdet med at beskytte den digitale verden mod den er allerede begyndt. Myndigheder og virksomheder er i gang med at indføre nye kryptografiske standarder, som skal kunne modstå angreb fra fremtidige kvantecomputere, ikke fordi nogen ved, præcis hvornår den nødvendige maskine kommer, men fordi information kan have lang levetid.

En besked kan opsnappes i dag og gemmes. Hvis den stadig er værdifuld om tyve år, kan en angriber i princippet vente på den computer, der en dag kan åbne den. På den måde påvirker kvantecomputeren allerede verden, før den eksisterer i den form, man forsøger at beskytte sig imod.

På andre områder er fremtiden langt mere uklar. Et af dem er optimering.

Verden er fuld af problemer, hvor man skal finde den bedste løsning blandt enorme mængder muligheder: ruter for lastbiler, produktionsplaner, investeringsporteføljer, elnet eller flytrafik. Derfor optræder optimering ofte på lister over de områder, kvantecomputeren skal revolutionere.

Men det er endnu langt fra sikkert, hvor stor den praktiske fordel bliver. Klassiske algoritmer er allerede meget avancerede og forbedres hele tiden, og det samme gælder kunstig intelligens. Mens kvanteforskerne forsøger at bygge den fremtidige computer, står den maskine og de algoritmer, den skal konkurrere med, altså ikke stille.

Det gør sammenligningen vanskelig. Hvis en kvantecomputer om ti år kan løse et bestemt problem tusind gange hurtigere end den klassiske algoritme, vi bruger i dag, er det ikke nødvendigvis imponerende, hvis den klassiske algoritme i mellemtiden er blevet ti tusind gange bedre.

Derfor kan en kvantecomputer godt demonstrere noget ekstraordinært uden endnu at være nyttig. Det er allerede sket. Forskningsgrupper har gennemført beregninger på kvanteprocessorer, som er ekstremt vanskelige at efterligne med klassiske computere, og demonstrationerne er videnskabeligt betydningsfulde, fordi de viser, at kontrollerede kvantesystemer kan bevæge sig ind i områder, hvor klassisk simulation bliver vanskelig.

Men nogle af opgaverne er konstrueret netop for at demonstrere denne forskel. Der stod ikke nødvendigvis en virksomhed dagen før og manglede svaret. At være den første maskine, der kan vinde en bestemt konkurrence, er ikke det samme som, at nogen havde brug for konkurrencen.

Det er derfor, et andet spørgsmål gradvist er blevet vigtigere end spørgsmålet om kvantefordel: spørgsmålet om kvantenytte.

Det afgørende gennembrud kommer ikke nødvendigvis den dag, en kvantecomputer udfører endnu en beregning, som er vanskelig for en klassisk computer. Det kommer, hvis den løser et problem, som nogen faktisk har behov for at få løst, og gør det så meget bedre, at forskellen får praktisk betydning.

Den dag er endnu ikke kommet i nogen ubestridelig, bred industriel forstand.

Der er også en mere fysisk grund til usikkerheden. En qubit er ikke bare en mindre transistor. Tværtimod hænger dens anvendelighed tæt sammen med dens skrøbelighed, fordi den kvantetilstand, beregningen afhænger af, kan forstyrres af omgivelserne. Temperatur, elektromagnetisk støj, materialefejl og selve kontrollen af systemet kan introducere fejl.

En almindelig computer kan naturligvis også lave fejl, men moderne elektronik er konstrueret, så de er ekstremt sjældne og relativt enkle at håndtere. I en kvantecomputer er fejlproblemet langt mere grundlæggende. Hvis beregningen skal være lang og kompleks, skal fejl opdages og korrigeres, uden at den kvanteinformation, man forsøger at beskytte, samtidig bliver ødelagt.

Derfor siger antallet af qubits i sig selv mindre, end man umiddelbart skulle tro. Tusind ustabile qubits kan være mindre værd end et langt mindre antal qubits af høj kvalitet, og én pålidelig, fejlkorrigeret qubit kan kræve mange fysiske qubits omkring sig.

Det er på dette punkt, fremtidsfortællingen møder ingeniørkunsten. Det er forholdsvis let at forestille sig, hvad man gerne vil kunne beregne; det langt vanskeligere spørgsmål er, om vi kan bygge en maskine, der kan gennemføre beregningen stabilt nok og længe nok.

Nogle forskere og virksomheder forventer de første virkelig nyttige beregninger inden for få år, mens andre taler om årtier. De mest ambitiøse anvendelser kan kræve maskiner med hundredtusinder eller millioner af fysiske qubits, og ingen ved i dag med sikkerhed, om sådanne maskiner faktisk bliver bygget.

Det er en mærkelig position for en teknologi, der allerede omtales som en revolution. Revolutionen er mulig, men den er ikke indtruffet endnu, og netop denne usikkerhed gør ikke kvantecomputeren mindre interessant. Den gør spørgsmålet om dens fremtid mere præcist.

For hvis man fjerner forestillingen om den magiske maskine, som kan beregne alt på et øjeblik, står et andet spørgsmål tilbage: Findes der problemer i verden, som er praktisk utilgængelige for vores nuværende computere, men som bliver tilgængelige, hvis vi lærer at kontrollere kvantemekanikken som en beregningsressource?

Vi kender allerede enkelte problemer, hvor teorien siger ja. Der findes andre, hvor udsigterne er lovende, og en langt større gruppe, hvor ingen endnu ved det.

Måske bliver kvantecomputeren derfor aldrig en maskine, de fleste mennesker ser. Den kan komme til at stå i særlige bygninger, omgivet af avanceret køling, elektronik og kontrolsystemer, mens brugerne sender en bestemt del af en beregning til den gennem et almindeligt computernetværk og får resultatet tilbage.

På den måde vil den måske komme til at ligne et teleskop, en partikelaccelerator eller en MR-scanner mere end den laptop, vi i dag forbinder med ordet computer: et dyrt, vanskeligt og stærkt specialiseret instrument, hvis betydning ikke ligger i, at alle skal eje det, men i at det muligvis kan vise os noget, vi ikke kunne se før.

Tilbage i bakterien sidder nitrogenasen stadig og gør det, den har gjort længe før mennesker begyndte at bygge computere. Den bryder en binding, som vores industri bruger enorme kræfter på at bryde, og selv om vi ved meget om processen, er der stadig dele af den, som naturen udfører lettere, end vi kan beregne dem.

Det er denne forskel, kvantecomputeren forsøger at trænge ind i.

Ikke forskellen mellem en hurtig computer og en endnu hurtigere computer, men mellem det, vi allerede kan regne på, og det, der måske en dag bliver muligt at regne på.

Det er kvantefremtiden.

 

 

Af Simon Lec for Voices of Science