Den nåværende tilstanden for kvantedatabehandling

Kvantedatabehandling er annerledes

Kvantedatabehandling er idéen om å bruke kvantefysikk til å utføre beregninger, noe som skiller seg fra vanlige halvlederbaserte datametoder. I stedet for å generere 0 og 1 (ingen strøm eller strøm), bruker den «kvantebiter», kalt qubits, hvor partikkeldaten enten er 0 OG 1 samtidig, eller 1, eller 0.

På grunn av den grunnleggende forskjellen i beregningsmåten er kvantedatabehandling ikke så mye et alternativ til «vanlig» databehandling, men snarere et supplement.

Standard databehandling fungerer på en lineær måte og sliter med svært komplekse beregninger, som klimamodellering, kryptografi eller den 3D‑konfigurasjonen av komplekse molekyler som proteiner. Og dette er nettopp den typen beregning som kvantedatabehandling forventes å utmerke seg i.

Så, selv om våre bærbare PC‑er og smarttelefoner sannsynligvis aldri vil bli kvantedatamaskiner, kan de revolusjonere vitenskapelig forskning.

Kvantedatabehandling er vanskelig

Så, med løftet om at kvante‑superdatamaskiner vil prestere tusen ganger bedre enn de eksisterende, er det ikke overraskende at det er gjort mye forskning for å gjøre dem til virkelighet.

Men problemet er at det er teknisk svært vanskelig å lage selv én qubit. Den første vanskeligheten er at kvantedatabehandling kun fungerer ved ekstremt lave temperaturer, rundt et hundre grader over absolutt null. Bare under disse forholdene blir noen unike materialer til superledere (materialer uten elektrisk motstand). Dette er energikrevende, kostbart og vanskelig å oppnå.

Deretter er det også komplekst å kontrollere, manipulere og «lese» dataene i en qubit, vanligvis ved bruk av ultra‑presise lasere, atommikroskoper og sensorer. Til slutt vil enhver forstyrrelse gjøre qubiten ubrukelig, så et perfekt vakuum må også oppnås.

Mens halvlederbrikker manipulerer materie på skalaer som kun måler noen få atomer, ser kvantedatabehandling på å håndtere materien på partikkelnivå. Merk at en praktisk kvantedatamaskin vil kreve tusenvis av qubits for å forbli stabile og kunne samhandle med hverandre.

Kvantedatabehandling gjør fremskritt

Passering av 1 000‑qubit‑grensen

Et team ledet av professor Gerhard Birkl fra «Atoms – Photons – Quanta» forskningsgruppe ved Institutt for fysikk ved TU Darmstadt i Tyskland har nettopp laget den største kvantedatamaskinen hittil.

De har laget en kvantedatamaskin med 1 000 individuelt kontrollerbare atom‑qubits, og vant et kappløp i feltet mot mange andre vitenskapelige team.

Kilde: Optica

1 000‑merket er delvis symbolsk, men også omtrent det tallet som forventes å være nødvendig for meningsfull anvendelse av kvantedatamaskiner. Under dette er de for det meste en vitenskapelig kuriositet og en lovende idé, men ikke mye mer.

Teknikken bruker «optiske tweezers», som er spesielle lasere som kan manipulere atomene individuelt. Takket være fremskritt innen mikro‑optikk er dette den mest lovende teknikken i kvantedatabehandling for en skalerbar metode til å bygge mye større systemer.

Kilde: Optica

“Ettersom antallet linselementer per kvadratcentimeter lett når 100 000, og MLA‑skiver med områder på flere hundre kvadratcentimeter kan produseres, har de enormt potensial når det gjelder skalerbarhet, kun begrenset av tilgjengelig laserkraft”

Kilde: Optica

Ved å perfeksjonere bruken av slike optiske tweezers har professor Birkl demonstrert at store kvantedatamaskiner med tusenvis av qubits kan konstrueres. Dette vil igjen gi det essensielle verktøyet andre forskere trenger for å utføre kvanteberegninger.

Kvantesimulatorer for å løse fysikk

Mange problemer fysikere sliter med i dag er knyttet til partikkeladferd på kvantenivå, eller i det minste så snart mer enn 30 partikler simuleres. Dette er et problem fordi vanlige datasystemer har vanskeligheter med den probabilistiske adferden til partikler og kvantefysikk generelt.

For å løse dette problemet ville den ideelle situasjonen være å utvikle en «kvantesimulator» hvor qubits kan simulere oppførselen til kvantepartikler. Dette skyldes at qubits selv bruker kvanteegenskapene entanglement og superposisjon, som er de delene som er så vanskelige å simulere i en vanlig datamaskin.

Mens kvantesimulatorer i hovedsak er en spesiell type kvantedatamaskin, har problemet så langt vært å få dem til å kunne simulere mange ulike partikler i stedet for å måtte skreddersy en kvantesimulator for hvert spesifikke fysisk spørsmål.

Natalia Chepiga og hennes forskningsgruppe, førsteamanuensis ved Delft University of Technology i Nederland, kan ha funnet en løsning.

Hun foreslår en protokoll som skaper en fullt kontrollerbar kvantesimulator i en vitenskapelig artikkel publisert i Physical Review Letters. Dette fungerer ved å bruke to lasere med forskjellige frekvenser eller farger, og legger til en ekstra dimensjon i beregningen. Teoretisk kan denne metoden utvides til å legge til mer enn 2 dimensjoner i kvantesimulatorens kalkulasjon.

Kilde: TU Delft

Denne typen kvantesimulator kan gi et betydelig løft i mange forskningsinnsatser på randen av vår nåværende kunnskap, inkludert ultra‑kald fysikk (inkludert superledere), halvledere, materialvitenskap, telekommunikasjon og energiteknologier (spesielt batterier).

QuDits i stedet for qubits

De fleste kvantedatabehandlingsdesign er fokusert på qubits, og på å gjøre dem enklere å manipulere/programmere og å legge til flere av dem. Et alternativ er å bruke kvantedigitaler, eller «qudits».

“En kvantedatamaskin med x qubits kan utføre 2^x beregninger. En maskin med x antall qudits, hvor D representerer antall tilstander per qudit, kan utføre D^x beregninger.

Dette betyr at du kan kode den samme informasjonen i færre kvantepartikler når du bruker qudits,”

Martin Ringbauer, en kvantefysiker ved Universitetet i Innsbruck i Østerrike i IEEE Spectrum

Enklere sagt, jo flere D‑dimensjoner et kvantedatabehandlingssystem har, desto mer blir det eksponentielt kraftig. I tillegg til denne mer effektive beregningen ved bruk av qudits i stedet for qubits, forventes de å være mer pålitelige og mindre sannsynlig å forårsake beregningsfeil enn qubits.

Så er det store nyheter at et team av forskere ledet av Andrea Morello ved USNW i Australia har laget et 16‑dimensjonalt, svært kontrollerbart qudit‑databehandlingssystem. Med D=16 øker enhver mengde qudits som legges til systemet datakapasiteten med en faktor på 16.

For å oppnå dette brukte de et 123Sb (antimon) donoratom, som ble ion‑implantert i en silisium‑nanoelektronisk enhet.

“Det kombinerte Hilbert-rommet til atomet spenner over 16 dimensjoner, og kan nås ved bruk av både elektriske og magnetiske kontrollfelt. Andrea Morello”

Dette systemet oppnådde bemerkelsesverdige resultater; spesielt, «kjernespinnet viser allerede gate‑fideliteter over 99 % uavhengig av drivmekanismen». Antimonatomet er også en forbedring i forhold til det tidligere brukte 31P (fosfor), siden antimon er et tyngre atom og lettere å manipulere.

Denne tekniske og vitenskapelige prestasjonen forbedres også videre, spesielt ved bruk av isotopisk renset 28Si (silisium), fjerning av resterende 29Si‑konsentrasjon, og forbedring av systemets pålitelighet (koherenstider og gate‑fideliteter).

Tilstanden for kvantedatabehandlingsutvikling

Feltet er fortsatt i sin spede begynnelse, med helt nye konsepter som fortsatt dukker opp, som brukbare qudits eller programmerbare kvantesimulatorer.

Kombinert med fremgangen i å lage systemer med over 1 000 qubits, viser dette at kvantedatabehandling sannsynligvis vil bli et svært viktig vitenskapsfelt i de kommende tiårene, med enormt uutnyttet potensial.

For øyeblikket får forskning innen materialvitenskap eller biokjemi et løft fra AI, noe vi diskuterte i artikkelen vår «Disruptive Industries Coalescing Around a Core Technology – Artificial Intelligence (AI)».

Men snart, i løpet av de neste 5–10 årene, kan vi begynne å se praktiske resultater av kvantedatabehandlingsberegninger. Maskinvaren går nå fra tankeeksperimenter og laboratoriedemonstrasjoner til prototyper av kommersielle forskningsdatamaskiner.

Neste steg vil være å utvikle programvare som kan maksimere potensialet til kvantedatabehandling – og begynne å produsere kvantedatamaskiner i stor skala for å redusere kostnader og tilby en viss standardisering.

Så, på mange måter, er kvantedatabehandling på det stadiet hvor de første kommersielle datamaskin‑hovedrammene kom på 1950‑ og 1960‑tallet før de ble et vanlig verktøy for virksomheter og forskning i de påfølgende tiårene.

Bruksområder for kvantedatabehandling

Selv om det er vanskelig å forutsi fullt ut, vet vi allerede noen segmenter som vil ha stor nytte av at kvantedatabehandling blir mer tilgjengelig:

• Biokjemisk modellering: fra å bestemme 3D‑formen til et protein til genuttrykk, beregning av komplekse biologiske molekyler ned til atomene, kan dette revolusjonere bioteknologisk forskning.
• Klimamodellering: Klimamodeller er usedvanlig komplekse og presser grensene for hva dagens superdatamaskiner kan gjøre. En bedre forståelse av klimaet, med en finere beregningsskala i modellen, både geografisk og i tid, kan bidra til å forstå risikoene ved klimaendringer.
• Halvledere: Kvantedatamaskiner kan brukes til å gjøre vanlige databrikker mye kraftigere. Med «normale» brikker som nå når nanometerskala, blir kvantefenomener stadig mer problematiske, og kvantedatamaskiner kan være nødvendige for å løse dem.
• Materialvitenskap: Bedre forståelse av kvantefysikk og materialers reaksjon ned til individuelle atomer kan åpne for nye design av materialer brukt i romfart, batterier, 3D‑utskrift, produksjon osv.
• Kryptografi: Kvantedatamaskiner kan potensielt gjøre alle nåværende kryptografimetoder foreldet. Dette er en alvorlig bekymring for militære, finansielle og IT‑systemer. Men samtidig kan det gjøre kryptografi enda sikrere.

Aksjer innen kvantedatabehandling

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) var den ledende kraften bak kommersialiseringen av den første hovedrammemaskinen. Imidlertid har den falt bak andre teknologigiganter som Apple, TSMC og NVIDIA.

Den er imidlertid i frontlinjen for utviklingen av kvantedatamaskiner. For eksempel utviklet den sin 127‑qubit‑«Eagle»-kvantedatamaskin, som ble etterfulgt av et 433‑qubit‑system kjent som «Osprey».

Og dette er nå etterfulgt av «Condor», en 1 121‑superledende qubit‑kvanteprosessor basert på kryss‑resonans‑gate‑teknologi, sammen med «Heron», en kvanteprosessor i feltes ytterkant.

Til slutt lanserte IBM Qiskit 1.0 i februar 2024, den mest populære SDK‑en for kvantedatabehandling, med forbedringer i kretskonstruksjon, kompileringstid og minneforbruk sammenlignet med tidligere versjoner.

Fremover har IBM allerede kunngjort sitt neste store mål i påvente av at de nåværende kvantebrikkene ‘overgår’ den nåværende infrastrukturen. Dette målet er kjent som ‘IBM Quantum System Two’; et modulært system som har potensial til å støtte opptil 16 632 qubits.

IBMs styrke har alltid vært, siden oppstarten, utviklingen av ultra‑kraftige superdatamaskiner, et markedsegment som ble overskygget av fremveksten av forbrukerelektronikk og standardiserte brikker. Fremveksten av kvantedatabehandling er en anledning for IBM til å skinne igjen og bli en leder i dette kommende viktige segmentet av databehandling for vitenskapelig forskning og store bedriftsbehov.

2. Microsoft Corporation

Allerede en leder innen «vanlige» skytjenester, er Microsoft en pioner i å tilby kvantedatabehandlingstjenester i skyen med Azure Quantum. Det er fullt mulig at mest kvantedatabehandling i fremtiden vil bli gjort av forskere «eksternt», med avhengighet av skytjenester som Microsofts, i stedet for direkte tilgang til sin egen kvantedatamaskin.

Dette er spesielt sannsynlig ettersom de fleste kvantedatabehandlingsapplikasjoner til slutt vil bli forsket på av biokjemikere, materialvitenskapseksperter, klimavitenskapsfolk og andre spesialister uten spesiell bakgrunn i kvantedatabehandling. Så å stole på dedikerte fagfolk i selskaper som IBM, Microsoft eller Google for å håndtere beregningsdelen gir mer mening enn å ansette eller trene personer som er fremmede for feltet.

Tjenesten kan også tilby «hybrid computing», som blander kvantedatabehandling med tradisjonell skybasert superdatatjeneste.

Kilde: Microsoft

I stedet for vertikal integrasjon har Microsofts tilnærming til kvantedatabehandling vært å etablere partnerskap med ledere i feltet som dekker praktisk talt alle teknologiene som er mulige for å oppnå kvantedatabehandling, som IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), og Rigetti (RGTI).

Kilde: Microsoft

Kvantedatabehandling er ikke sentralt i Microsofts virksomhet, i hvert fall foreløpig. Det er likevel en sentral aktør i sektoren og kan være et «sikrere» aksjevalg enn å direkte kjøpe aksjer i deres kvantedatabehandlingspartnere som er børsnotert, som QCI eller Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google er svært aktiv innen kvantedatabehandling, hovedsakelig gjennom sitt Google Quantum AI‑laboratorium og Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantedatamaskin skrev historie i 2019 da Google hevdet å ha oppnådd «kvantesupreminens» med sin Sycamore‑maskin, som utførte en beregning på 200 sekunder som en konvensjonell superdatamaskin ville ha brukt 10 000 år på.

Men kanskje Googles største bidrag vil være innen programvare, en aktivitet hvor de har langt bedre merittliste enn maskinvare (søk, G Suite, Android osv.). Allerede gjør Googles Quantum AI tilgjengelig en pakke med programvare designet for å hjelpe forskere med å utvikle kvantealgoritmer.

Google vil sannsynligvis være ett av selskapene som setter standardene for kvantedatabehandlingsprogramvare og -programmering, og gir en privilegert posisjon til å påvirke hvor feltet vil utvikle seg i fremtiden.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum er resultatet av fusjonen mellom Honeywell Quantum Solutions og Cambridge Quantum (og, som nevnt, en partner av Microsofts kvante‑skytjeneste).

Quantinuum ser foreløpig ut til å fokusere på segmenter som er mindre utforsket av andre kvantedatamaskinsystemer, spesielt finansielle og forsyningskjederelaterte analyser, gjennom sin Quantum Monte Carlo Integration (QMCI)-motor, lansert i september 2023.

QMCI gjelder problemer som ikke har en analytisk løsning, som prising av finansielle derivater eller simulering av resultater fra høyenergi‑partikkelfysikk‑eksperimenter, og lover beregningsmessige fremskritt på tvers av næringsliv, energi, logistikk i forsyningskjeder og andre sektorer.

Som for Microsoft er kvantedatabehandling ikke den sentrale delen av Honeywells virksomhet, som er mer fokusert på produkter innen romfart, automatisering og spesialkjemikalier og -materialer.

Imidlertid, med tanke på at hvert eneste av disse forretningssegmentene kan ha nytte av kvantedatabehandling, er det ikke vanskelig å se forretningsgrunnlaget for at Honeywell skal engasjere seg.

Dette gjør Honeywell både til en leverandør av kvantedatabehandlingstjenester og til ett av selskapene som kan ha nytte av anvendelsen av kvantedatamaskiner i virkelige forretningssaker, noe integreringen av Quantinuum i gruppen bør bidra til å fremme i et raskere tempo enn dets industrielle konkurrenter.

5. Intel

Intel er en stor chipprodusent og ser ut til å utnytte denne styrken i kvantedatabehandlingsområdet.

Den har nylig lansert «Tunnel Falls», den  mest avanserte silisium‑spinn‑qubit‑brikken». Det bemerkelsesverdige er at den ikke er en prototype, men en brikke bygget i skala, med 95 % avkastning over hele skiven og spenningens ensartethet. Dette åpner veien for masseproduksjon av kvantedatabehandlingsbrikker, noe som hittil har vært vanskelig i en ny og raskt skiftende industri.

Kilde: Intel

Trofast sine røtter utvikler Intel også programvaren for å utnytte sine brikker, med lanseringen av Intel Quantum SDK. Dette gir retningslinjer for programmerere til å utvikle programvare for kvantedatabehandling som er kompatibel med Intel‑s kvantebrikkedesign, som historisk har vært en svært sterk og lønnsom forretningsmur for Intels konvensjonelle chipvirksomhet.

Kilde: Intel

Ankomsten av skalerbar produksjon av kvantebrikker kan bli like revolusjonerende for industrien som enhver annen mer teknisk vitenskapelig gjennombrudd, ved å senke kostnader og etablere felles programmeringsstandarder og chiparkitekturer.

Intel er et selskap som fra erfaring vet hvor sterk en kraft dette kan være i databehandlingsindustrien, og fortsatt drar nytte av sine innovasjoner og tilhørende patenter fra 1960‑tallet og fremover.

6. Defiance Quantum ETF

Kvantedatabehandlingssektoren er fortsatt svært ung. Den har hittil i hovedsak blitt overtatt av store teknologikonglomerater med dype nok lommer til å finansiere milliarder av dollar til denne typen grunnleggende forskning.

Imidlertid er mange andre mindre selskaper også aktive i feltet, noen i partnerskap med nevnte giganter for å distribuere sin teknologi.

Det kan være en ganske vanskelig oppgave for ikke‑spesialiserte investorer å forstå kompleksiteten i de ulike kvantedatabehandlingsteknologiene, og enda vanskeligere å gjette hvilke som vil bli kommersielt vellykkede.

Så, mens direkte investering i små kvantedatabehandlings‑oppstartsbedrifter er et alternativ, er et annet å stole på en ETF for å få eksponering mot sektoren samtidig som man diversifiserer til lavere kostnad.

Defiance Quantum ETF inneholder 69 ulike aksjer relatert til kvantedatabehandling i sine beholdninger, inkludert utviklere av kvantedatamaskiner og -brikker, samt leverandører av kjølesystemer, lasere, programvare og annen teknologi brukt i kvantedatamaskiner eller produksjon av kvantebrikker.

Kilde: Defiance ETF

I dette raskt utviklende feltet vil de fleste investorer, selv de som er kjent med halvlederindustrien, sannsynligvis ha nytte av en viss diversifisering. Så dette kan oppnås enten ved å satse på individuelle teknologigiganter som gjør de riktige partnerskapsvalgene, eller med et bredt spekter av aksjer, noe som ofte oppnås mer effektivt gjennom en dedikert ETF.