Den aktuelle tilstand for kvantecomputing

Kvantecomputing er anderledes

Kvantecomputing er idéen om at bruge kvantefysik til at udføre beregninger, hvilket adskiller sig fra normale halvlederbaserede beregningsmetoder. I stedet for at generere 0 og 1 (ingen strøm eller strøm) bruger den “kvantebits”, kaldet qubits, hvor partikeldata enten er 0 OG 1 på én gang, eller 1, eller 0.

På grund af den grundlæggende forskel i beregningsmetoden er kvantecomputing ikke så meget et alternativ til “normal” computing, men snarere et supplement.

Standardcomputing fungerer lineært og har svært ved meget komplekse beregninger, som klimamodellering, kryptografi eller den 3D‑konfiguration af komplekse molekyler som proteiner. Og netop denne type beregning forventes kvantecomputing at udmærke sig i.

Så mens vores laptops og smartphones sandsynligvis aldrig vil blive kvantecomputere, kan de revolutionere videnskabelig forskning.

Kvantecomputing er svært

Så med løftet om, at kvante‑supercomputere vil præstere tusind gange bedre end de eksisterende, er det ikke overraskende, at der er gjort meget forskning for at gøre dem til virkelighed.

Men problemet er, at det allerede er teknisk meget svært at skabe én qubit. Den første vanskelighed er, at kvantecomputing kun fungerer ved ultralave temperaturer, omkring et hundrede grader over det absolutte nulpunkt. Kun under disse forhold bliver nogle unikke materialer til superledere (materialer uden elektrisk modstand). Dette er energikrævende, dyrt og svært at opnå.

Og så er det også komplekst at styre, manipulere og “læse” data i en qubit, hvilket typisk involverer ultranøjagtige laser, atommikroskoper og sensorer. Endelig vil enhver interferens gøre qubiten ubrugelig, så der også skal opnås et perfekt vakuum.

Mens halvlederchips manipulerer stof på skalaer, der kun måler få atomer, forsøger kvantecomputing at håndtere stoffet på partikelniveau. Bemærkelsesværdigt vil en praktisk kvantecomputer kræve tusindvis af qubits for at forblive stabile og interagere med hinanden.

Kvantecomputing skrider frem

Krydser 1.000‑qubit‑grænsen

Et team ledet af professor Gerhard Birkl fra “Atoms – Photons – Quanta” forskningsgruppen i fysikafdelingen på TU Darmstadt i Tyskland har netop skabt den største kvantecomputer til dato.

De har skabt en kvantecomputer med 1.000 individuelt kontrollerbare atom‑qubits, og vinder dermed løbet i feltet mod mange andre videnskabelige hold.

Kilde: Optica

1.000‑mærket er delvist symbolsk men også omkring det antal, der forventes at være nødvendigt for meningsfulde anvendelser af kvantecomputere. Under dette er de for det meste en videnskabelig nysgerrighed og en lovende idé, men ikke meget mere.

Teknikken bruger “optiske pincet”, som er specielle laser, der kan manipulere atomerne individuelt. Takket være fremskridt inden for mikro‑optik er dette den mest lovende teknik i kvantecomputing for en skalerbar metode til at bygge meget større systemer.

Kilde: Optica

“Da antallet af linselementer per kvadratcentimeter nemt når 100.000, og MLA‑plader med områder på flere hundrede kvadratcentimeter kan produceres, har de enormt potentiale med hensyn til skalerbarhed, kun begrænset af den tilgængelige laserkraft”

Kilde: Optica

Ved at perfektionere brugen af sådanne optiske pincet har Prof. Birkl demonstreret, at store kvantecomputere med tusindvis af qubits kan konstrueres. Dette vil give det nødvendige værktøj til andre forskere til at udføre kvanteberegninger.

Kvantumsimulatorer til at løse fysik

Mange af de problemer, som fysikere i dag kæmper med, er relateret til partikeladfærd på kvanteniveau, eller mindst så snart der simuleres mere end 30 partikler. Dette er et problem, da almindelige computersystemer har svært ved den probabilistiske adfærd af partikler og kvantefysik generelt.

For at løse dette problem ville den ideelle situation være at udvikle en “kvantumsimulator”, hvor qubits kan simulere adfærden af kvantepartikler. Dette skyldes, at qubits selv bruger kvanteegenskaberne entanglement og superposition, som er de dele, der er så svære at simulere i en normal computer.

Selvom kvantumsimulatorer i bund og grund er en særlig type kvantecomputer, har udfordringen hidtil været at gøre dem i stand til at simulere mange forskellige partikler i stedet for at skulle skræddersy en kvantumsimulator til hvert specifikt fysisk spørgsmål.

Natalia Chepiga og hendes forskningsgruppe, lektor ved Delft University of Technology i Holland, kan have fundet en løsning.

Hun foreslår en protokol, der skaber en fuldt kontrollerbar kvantumsimulator i en videnskabelig artikel offentliggjort i Physical Review Letters. Dette fungerer ved at bruge to laser med forskellige frekvenser eller farver, som tilføjer en ekstra dimension til beregningen. Teoretisk kunne denne metode udvides til at tilføje mere end 2 dimensioner til kvantumsimulatorens beregning.

Kilde: TU Delft

Denne type kvantumsimulator kunne give et stort løft i mange forskningsindsatser i den yderste kant af vores nuværende viden, herunder ultra‑kold fysik (inklusive superledere), halvledere, materialvidenskab, telekommunikation og energiteknologier (især batterier).

QuDits i stedet for qubits

De fleste kvantecomputing‑design er fokuseret på qubits og på at gøre dem lettere at manipulere/programmere og at tilføje flere af dem. Et alternativ er at bruge kvantecifre, eller “qudits.”

“En kvantecomputer med x qubits kan udføre 2^x beregninger. Men en maskine med x antal qudits, med D som repræsenterer antallet af tilstande pr. qudit, kan udføre D^x beregninger.

Dette betyder, at du kan kode den samme information i færre kvantepartikler, når du bruger qudits,”

Martin Ringbauer, en kvantefysiker ved University of Innsbruck i Østrig i IEEE Spectrum

I enklere termer er det mere D‑dimensioner til et kvantecomputingsystem, jo mere bliver det eksponentielt kraftigere. Ud over denne mere effektive beregning ved brug af qudits i stedet for qubits, forventes de at være mere pålidelige og mindre tilbøjelige til at forårsage beregningsfejl end qubits.

Så det er store nyheder, at et hold af forskere ledet af Andrea Morello ved USNW i Australien har skabt et 16‑dimensionelt, højt kontrollerbart qudit‑computersystem. Med D=16 øger enhver mængde qudits, der tilføjes til systemet, beregningskapaciteten med en faktor på 16.

For at opnå dette har de brugt 123Sb (antimon) donoratom, som er ion‑implanteret i en silicium nanoelektronisk enhed.

“Det samlede Hilbert‑rum af atomet spænder over 16 dimensioner, og kan tilgås ved både elektrisk og magnetisk kontrolfelter. Andrea Morello”

Dette system opnåede bemærkelsesværdige resultater; især “kerne‑spinnet viser allerede gate‑fideliteter på over 99 % uanset drivmekanisme”. Antimonatomet er også en forbedring i forhold til det tidligere anvendte 31P (fosfor), da antimon er et tungere atom og lettere at manipulere.

Denne tekniske og videnskabelige præstation forbedres også yderligere, især ved brug af isotopisk renset 28Si (silicium), fjernelse af resterende 29Si‑koncentration, og forbedring af systemets pålidelighed (kohærens‑tider og gate‑fideliteter).

Tilstanden for kvantecomputing‑udvikling

Feltet er stadig meget i sin spæde start, med helt nye koncepter, der stadig dukker op, som brugbare qudits eller programmerbare kvantumsimulatorer.

Samlet med fremskridtet i at skabe systemer med over 1.000 qubits viser dette, at kvantecomputing sandsynligvis vil blive et meget vigtigt videnskabeligt område i de kommende årtier, med enormt uudnyttet potentiale.

På nuværende tidspunkt boostes forskning inden for materialvidenskab eller biokemi af AI, noget vi diskuterede i vores artikel “Disruptive Industries Coalescing Around a Core Technology – Artificial Intelligence (AI).”

Men snart, i de næste 5‑10 år, kan vi begynde at se praktiske resultater af kvantecomputing‑beregninger. Hardwaren bevæger sig nu fra tankeeksperimenter og laboratoriedemonstratorer til prototyper af kommercielle forskningscomputere.

Næste skridt vil være at udvikle software, der kan maksimere potentialet i kvantecomputing—og begynde at producere kvantecomputere i stor skala for at sænke omkostningerne og skabe en vis standardisering.

Så på mange måder er kvantecomputing på det stadium, hvor de første kommercielle computer‑mainframes kom ud i 1950’erne og 1960’erne, før de blev et almindeligt forretnings‑ og forskningsværktøj i de følgende årtier.

Anvendelser af kvantecomputing

• Biokemisk modellering : fra bestemmelse af et proteins 3D‑form til genekspression, beregning af komplekse biologiske molekyler ned til atomer kan revolutionere bioteknologisk forskning.
• Klimamodellering : Klimamodeller er ekstraordinært komplekse og presser grænserne for, hvad nuværende supercomputere kan håndtere. En bedre forståelse af klimaet, med en finere beregningsskala i modellen, både geografisk og tidsmæssigt, kan hjælpe med at forstå risiciene ved klimaforandringer.
• Halvledere : Kvantecomputere kunne bruges til at gøre almindelige computerchips meget mere kraftfulde. Da “normale” chips nu når nanometerskalaen, bliver kvantefænomener i stigende grad problematiske, og kvantecomputere kan blive nødvendige for at løse dem.
• Materialvidenskab : Bedre forståelse af kvantefysik og materialers reaktion ned til enkelte atomer kan åbne nye design for materialer brugt i rumfart, batterier, 3D‑print, fremstilling osv.
• Kryptografi : Kvantecomputere kunne potentielt gøre alle nuværende kryptografimetoder forældede. Dette er en alvorlig bekymring for militære, finansielle og IT‑systemer. Men samtidig kunne det gøre kryptografi endnu mere sikker.

Aktier inden for kvantecomputing

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) var den ledende kraft bag kommercialiseringen af den første mainframe‑computer. Dog er den faldet bagud i forhold til andre teknologigiganter som Apple, TSMC og NVIDIA.

Den er dog i frontlinjen af udviklingen af kvantecomputere. For eksempel udviklede den sin 127‑qubit “Eagle” kvantecomputer, som blev efterfulgt af et 433‑qubit system kendt som “Osprey”.

Og dette er nu efterfulgt af “Condor”, en 1.121‑superledende qubit kvanteprocessor baseret på cross‑resonance gate‑teknologi, sammen med “Heron”, en kvanteprocessor i felttoppen.

Endelig udgav IBM Qiskit 1.0 i februar 2024, den mest populære kvantecomputing SDK, med forbedringer i kredsløbsopbygning, kompileringstider og hukommelsesforbrug sammenlignet med tidligere udgivelser.

Fremadrettet har IBM allerede annonceret sit næste store mål i forventning om, at de nuværende kvantechips ‘udvokser’ den nuværende infrastruktur. Dette mål er kendt som ‘IBM Quantum System Two’; et modulært system, der har potentiale til at understøtte op til 16.632 qubits.

IBM’s styrke har altid siden grundlæggelsen været at udvikle ultrakraftige supercomputere, et markedsegment, der er blevet overskygget af forbrugerelektronik og standardiserede chips. Fremkomsten af kvantecomputing er en mulighed for IBM til at skinne igen og blive en leder i dette kommende vigtige segment af computing til videnskabelig forskning og store virksomheders computerbehov.

2. Microsoft Corporation

Allerede en leder inden for “normale” cloud‑tjenester, Microsoft er en pioner i at tilbyde kvantecomputing‑cloudtjenester med Azure Quantum. Det er fuldstændig muligt, at størstedelen af kvantecomputing i fremtiden vil blive udført af forskere “fjernbetjent”, ved at benytte cloud‑tjenester som Microsofts, i stedet for direkte adgang til deres egen kvantecomputer.

Dette er især sandsynligt, da de fleste kvantecomputing‑applikationer i sidste ende vil blive forsket i af biokemikere, materialvidenskabseksperter, klimaforskere og andre specialister uden specifik baggrund i kvantecomputing. Så at stole på dedikerede fagfolk hos firmaer som IBM, Microsoft eller Google til at håndtere beregningsdelen giver mere mening end at ansætte eller uddanne personer, der er fremmede for feltet.

Tjenesten kan også tilbyde “hybrid computing”, som blander kvantecomputing med traditionel cloud‑baseret supercomputer‑service.

Kilde: Microsoft

I stedet for vertikal integration har Microsofts tilgang til kvantecomputing været at etablere partnerskaber med ledere inden for feltet, der dækker praktisk talt alle de teknologier, der er mulige for at opnå kvantecomputing, som IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), og Rigetti (RGTI).

Kilde: Microsoft

Kvantecomputing er ikke centralt for Microsofts forretning, i hvert fald for nu. Det er dog en central aktør i sektoren og kan udgøre et “sikrere” aktievalg i forhold til direkte at købe aktier i deres kvantecomputing‑partnere, som er børsnoterede, som QCI eller Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google er meget aktiv inden for kvantecomputing, primært gennem sit Google Quantum AI‑lab og Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantecomputer skrev historie i 2019, da Google hævdede at have opnået “kvanteoverlegenhed” med sin Sycamore‑maskine, som udførte en beregning på 200 sekunder, som en konventionel supercomputer ville have brugt 10.000 år på.

Men måske vil Googles største bidrag være inden for software, et område hvor de har langt bedre resultater end hardware (søgning, G Suite, Android osv.). Allerede gør Googles Quantum AI en suite af software tilgængelig, designet til at hjælpe forskere med at udvikle kvantealgoritmer.

Google vil sandsynligvis være en af de virksomheder, der fastsætter standarderne for kvantecomputing‑software og -programmering, og dermed får en privilegeret position til at bestemme, hvor feltet vil udvikle sig i fremtiden.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum er resultatet af fusionen mellem Honeywell Quantum Solutions og Cambridge Quantum (og, som nævnt, en partner af Microsofts kvantecloudcomputing).

Quantinuum ser ud til, for nu, at fokusere på segmenter, der er mindre udforskede af andre kvantecomputingsystemer, især finansielle og forsyningskæde‑relaterede analyser, gennem sin Quantum Monte Carlo Integration (QMCI) motor, lanceret i september 2023.

QMCI anvendes på problemer, der ikke har en analytisk løsning, såsom prisfastsættelse af finansielle derivater eller simulering af resultaterne af højenergi‑partikel‑fysikeksperimenter, og lover beregningsmæssige fremskridt på tværs af forretning, energi, forsyningskædelogistik og andre sektorer.

Ligesom for Microsoft er kvantecomputing ikke den centrale del af Honeywells forretning, som i højere grad fokuserer på produkter inden for luftfart, automatisering og specialkemikalier & materialer.

Dog, når man overvejer at hvert enkelt af disse forretningssegmenter kan drage fordel af kvantecomputing, er det ikke svært at se forretningscasen for Honeywell at engagere sig.

Så dette gør Honeywell både til en udbyder af kvantecomputing‑tjenester og til en af de virksomheder, der kunne drage fordel af anvendelsen af kvantecomputere i virkelige forretningssager, noget som integrationen af Quantinuum i koncernen bør hjælpe med at fremme i et hurtigere tempo end dets industrielle konkurrenter.

5. Intel

Intel er en stor chipproducent og ser ud til at udnytte denne styrke i kvantecomputing‑området.

Den har for nylig udgivet “Tunnel Falls”, den “mest avancerede silicium spin qubit chip”. Det bemærkelsesværdige er, at den ikke er en prototype, men en chip fremstillet i skala, med en udbyttegrad på 95 % på tværs af waferen og spændingsuniformitet. Dette baner vejen for masseproduktion af kvantecomputing‑chips, noget der indtil nu har været undvigende i en tidlig og hurtigt foranderlig industri.

Kilde: Intel

Trofast over for sine rødder udvikler Intel også softwaren til at udnytte sine chips, med udgivelsen af Intel Quantum SDK. Dette giver retningslinjer for programmører til at udvikle software til kvantecomputing, kompatibel med Intel’s kvantechipdesign, som historisk har været en meget stærk og profitabel forretningsmæssig barriere for Intels konventionelle chipforretning.

Kilde: Intel

Ankomsten af skalerbar kvantechipproduktion kan være lige så revolutionerende for industrien som enhver anden mere teknisk videnskabelig gennembrud, ved at sænke omkostningerne og etablere fælles programmeringsstandarder og chiparkitekturer.

Intel er et firma, der fra erfaring ved, hvor stærk en kraft dette kan være i computerindustrien, og som stadig drager fordel af sine innovationer og tilknyttede patenter fra 1960’erne og frem.

6. Defiance Quantum ETF

Kvantecomputing‑sektoren er stadig meget ung. Indtil nu er den primært overtaget af store teknologikoncernere med dybe lommer, der kan finansiere milliarder af dollars til denne form for grundforskning.

Dog er mange andre mindre virksomheder også aktive inden for feltet, nogle i partnerskab med de nævnte giganter for at implementere deres teknologi.

Det kan være en ret vanskelig opgave for ikke‑specialiserede investorer at forstå kompleksiteten i de forskellige kvantecomputing‑teknologier, og endnu sværere at gætte, hvilke der vil blive kommercielt succesfulde.

Så, mens direkte investering i små kvantecomputing‑startups er en mulighed, er en anden at stole på en ETF for at få eksponering mod sektoren, samtidig med at diversificere til en lavere omkostning.

Defiance Quantum ETF indeholder 69 forskellige aktier relateret til kvantecomputing i sine beholdninger, herunder udviklere af kvantecomputere & chips samt leverandører af kølesystemer, laser, software og anden teknologi, der bruges i kvantecomputere eller kvantechipproduktion.

Kilde: Defiance ETF

I dette hurtigt udviklende felt vil de fleste investorer, selv dem der er bekendt med halvlederindustrien, sandsynligvis drage fordel af en vis diversificering. Så dette kan opnås enten ved at satse på enkelte teknologigiganter, der træffer de rigtige partnerskabsvalg, eller med en bred vifte af aktier, noget der ofte opnås mere effektivt gennem en dedikeret ETF.