Europa avslører sin visjon for en kvantefremtid

Kappløpet om å erobre kvanteverdenen er blant de mest konkurransedyktige innen teknologi. Kina og USA har begge investert milliarder i å utvikle nye måter å utnytte fysikkens merkelige lover som kvanteeffekter gir tilgang til. Løftet er en ny æra av databehandling og kommunikasjon og, selvfølgelig, uante rikdom.

I all spenningen blir en del av verden etterlatt. Europa har en rik historie med innovasjon innen kvantefysikk, men har begynt å falle bak sine globale konkurrenter de siste årene.

Det er derfor EU-kommisjonen kunngjorde i 2016 at den investerte én milliard euro i en forskningsinnsats kjent som kvanteteknologisk flaggskip. Målet for dette prosjektet er å utvikle fire teknologier: kvantekommunikasjon, kvantesimulering, kvanteberegning og kvantesansing. Etter nesten to år, hvordan går det?

Å kontrollere kvantesystemer er en betydelig utfordring.

I dag får vi et glimt takket være publiseringen av European Quantum Technologies Roadmap, en oppdatert versjon av dokumentet som angir prosjektets mål for de neste 10 årene. Spesielt skisserer den to nye områder som har fått mindre interesse i andre deler av verden - kvanteprogramvare og kvantekontroll. Disse kan ha betydelige implikasjoner for fremtiden til europeiske kvanteteknologier.

Dokumentet starter med å skissere fokusområdene. Den første, kvantekommunikasjon, tilbyr muligheten til å sende data fra ett sted til et annet med fullstendig privatliv, garantert av fysikkens lover. Det blir stadig viktigere fordi en annen teknologi – kvantedatabehandling – snart vil kunne bryte krypteringen som vanligvis brukes i dag. Sikker kommunikasjon er et av grunnlaget for det moderne samfunnet, som muliggjør e-handel og sikrer personvernet til virksomheter, myndigheter og militærkommunikasjon.

Problemet er at eksisterende kvantekommunikasjonssystemer er dyre og komplekse å administrere og drifte. Det neste trinnet i utviklingen av disse systemene er å gjøre dem mye mer håndterbare.

Kommisjonen sier at dette er nært forestående: Forutsigbar i løpet av de neste tre årene er utviklingen av autonome [kvantekommunikasjons]-systemer over storbyavstander som vil adressere lave distribusjonskostnader, høye sikre nøkkelhastigheter (> 10 Mbps) og multipleksing.

Et annet problem er at kvantekommunikasjon bare fungerer over punkt-til-punkt-forbindelser på rundt 100 kilometer. Så forskere jobber også med kvanterutere som kan sende signalene mye lenger. Om 6 år vil vi sannsynligvis se [kvantekommunikasjonssystemer] i testbed-nettverk, som demonstrerer lange avstander via pålitelige noder, høyhøydeplattformsystemer eller satellitter, så vel som multi-node eller byttbare intra-bynettverk, som alle vil krever at store infrastrukturprosjekter settes i gang, heter det i rapporten.

Det neste området er kvanteberegning, som bruker kvanteprosesser for å generere imponerende databehandlingsytelse. Dette har vært mulig på skalaen til bare noen få kvantebiter, eller qubits, i noen år. Utfordringen i dag er å skalere kvantedatamaskiner til 100 qubits eller mer.

Dette veikartet skisserer fem potensielle måter å gjøre dette på, ved å bruke systemer som lagrer og behandler kvanteinformasjon på forskjellige måter. Disse inkluderer lagring av informasjonen i ioner fanget i et magnetfelt eller i atomkjerner innebygd i silisium eller karbon, i strømmen av strøm gjennom små superledende kretser, eller i fotoner som beveger seg gjennom fotoniske kretser.

Kommisjonen forventer tydeligvis storskala kvantebehandling ved bruk av en eller flere av disse teknologiene innen fem til ti år. Hvorvidt dette vil bli gjort i Europa først er mye mindre klart.

Kvantesimulering er det tredje investeringsområdet. Simulering av komplekse kvanteegenskaper på en vanlig datamaskin er nesten umulig. Men kvantesystemer kan lages for å simulere aspekter ved andre kvantesystemer mer eller mindre perfekt.

Fysikere leker med ulike måter å gjøre dette på. Den grunnleggende ideen er å finne et kvantesystem som er godt forstått og lett å manipulere og måle, og deretter bruke det til å simulere et system som er vanskelig å manipulere og måle.

De velforståtte systemene inkluderer ultrakalde atomer og molekyler, ioner fanget i magnetiske felt og superledende kretser. De mer komplekse systemene som fysikere ønsker å forstå forekommer i høyenergifysikk, i kosmologi, i statistisk fysikk og til og med i biologi, der kvanteprosesser ser ut til å spille en rolle i energioverføring. Løftet er at kvantesimulering kan gi innsikt i alle disse områdene.

Men det er betydelige utfordringer. Disse inkluderer å finne interessante systemer som kan simuleres med eksisterende teknikker og designe et passende eksperiment for å gjøre dette. På toppen av dette må fysikere finne måter å være sikre på at systemet har utført simuleringen på riktig måte.

Hvor mye av dette som vil være mulig i løpet av de neste 10 årene er ennå ikke klart.

Det fjerde interesseområdet er kvantesansing og metrologi. Tanken her er at hvis vi vil utnytte kvanteverdenen, må vi være i stand til å måle og sanse den. Det betyr å måle universet på skalaen til atomer og fotoner over passende korte tidsskalaer.

Fysikere har et bredt utvalg av verktøy for å gjøre dette, men de trenger alle forbedringer. Så kvanteklokker må gjøres mer presise, atomsensorer må gjøres mer følsomme, og optomekaniske sensorer må gjøres mer kapable.

Veikartet avsluttes med en diskusjon av to nye interesseområder. Den første er kvantekontroll: evnen til å manipulere kvantesystemer ved å bruke eksterne elektromagnetiske felt eller krefter. Målet med kvanteoptimal kontroll er å utforme og implementere former for pulser av eksterne felt eller sekvenser av slike pulser, som når en gitt oppgave i et kvantesystem på best mulig måte, heter det.

Dette handler med andre ord om å dytte kvantesystemer med radiobølger og laserstråler for å få dem til å oppføre seg på bestemte måter. Forventningen er at denne typen presis kontroll av kvantesystemer vil muliggjøre storskala kvanteberegning og simulering, blant annet.

Det andre av disse nye områdene er utviklingen av kvanteprogramvare, som er mye vanskeligere å utvikle enn vanlig programvare fordi qubits kan eksistere både 0 s og en s på samme tid. Det betyr at flere qubits kan utføre mange beregninger parallelt, og det er grunnen til at kvantedatamaskiner er så enormt kraftige.

Men å trekke ut svaret fra disse beregningene er vanskelig. Og det gjør kvantealgoritmer enormt skjøre.

Potensialet er at kvantealgoritmer kan utkonkurrere klassiske beregninger dramatisk. Men faktisk er det vanskelig å finne algoritmer som kan gjøre dette. Denne programvaren må fungere på skalaen til både datamaskiner og hele nettverk. Fremskritt på dette området kan være en måte for Europa å hoppe over konkurrenter som har en fordel innen maskinvareutvikling.

Et av de mest spennende problemene er å utvikle en teori om kvanteinformasjon. Den klassiske teorien om informasjon utviklet på 1940- og 50-tallet av matematikeren og ingeniøren Claude Shannon har blitt grunnlaget for moderne databehandling og kommunikasjon. En tilsvarende kraftig teori for kvanteinformasjon unngår teoretikere, men å utvikle en er et viktig mål i Europa. Mye vil avhenge av resultatet.

Hvis dette veikartet er et nøyaktig sammendrag av Europas tilnærming til utviklingen av kvanteteknologier, vil dets globale rivaler neppe skjelve i støvlene. For det meste mangler planen ambisjoner i forhold til arbeid andre steder. Kina, for eksempel, har allerede en satellitt i bane som er i stand til kvantekommunikasjon med bakken, og dette er kvantesamfunnets misunnelse over hele verden.

Unntakene er innenfor områdene kvantekontroll og kvanteprogramvare. Disse er muliggjørende teknologier med brede anvendelser i kvanteverdenen og kan gi et viktig springbrett for Europa.

En stor ukjent er industriens rolle i fremtiden for kvanteteknologier. Europa er desperat etter å samarbeide med selskaper som Google, IBM og Microsoft, som alle utvikler egne kvanteteknologier. Men mye av dette arbeidet har blitt gjort i USA så langt. Å endre dette fokuset må være en prioritet hvis Europa skal oppnå passende belønninger fra sine milliardinvesteringer.

Ref: arxiv.org/abs/1712.03773 : The European Quantum Technologies Roadmap

gjemme seg