Julia Ravanis: Krypteringens akilleshäl – kan framtidens datorer knäcka allt?

År 1935 skissade den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger upp principen för en maskin styrd av kvantfysikaliska partiklar. Det var en dödsmaskin. Inuti fanns en giftampull som utlöstes av en kvantpartikels tillstånd: antingen brast ampullen och fyllde en kammare med dödlig gas, eller så förblev den intakt. I kammaren satt en katt och väntade på dödsdomen. Maskinen var tänkt att visa kvantfysikens absurditet, eftersom teorin säger att en partikel kan ha två olika tillstånd samtidigt – i det här fallet både hel och sönderfallen, men den kan också befinna sig både här och där, med spinnriktning upp och ner – vilket innebär att katten är både död och levande på samma gång. Och det förstår ju vem som helst att det är omöjligt.

Erwin Schrödinger själv hade förmodligen blivit förargad om han visste att han i dag mest är ihågkommen för den där kattens skull. Det var bara en bisats i en artikel som han senare tog avstånd från, inget han skrev för evigheten. Men bilden är svår att glömma: den stackars katten i kvantkammaren. Att flytta kvantfysiken från partikelnivå till djurnivå öppnar svindlande perspektiv.

I dag, 90 år efter Erwin Schrödingers artikel, är det steget inte bara en skrämmande tanke, utan faktisk verklighet. Årets Nobelpris i fysik går till tre fysiker som har demonstrerat kvantmekaniska fenomen i en elektrisk krets stor nog att hålla i handen. För kvantfysiken är det en sensationell skala. Och forskarteam världen över är i full fart med att utveckla en maskin som utnyttjar de kvantfysikaliska partiklarnas mystiska förmåga att inneha flera olika tillstånd samtidigt.

Kvantdatorn dödar inga katter, men precis som under den tidiga datorutvecklingen finns det ett stort militärt intresse, särskilt inom kryptering och signalspaning. Där vanliga datorer arbetar med signaler som antingen är på eller av, ett eller noll, använder kvantdatorn signaler som är både ett och noll, eller något däremellan. Där en vanlig informationsbit begränsas av två möjliga tillstånd kan en kvantbit i princip vara allting mellan ett och noll samtidigt. Det är just detta mellantillstånd, kvantfysikens så kallade superposition, som forskarna vill utnyttja för att göra vissa typer av beräkningar dramatiskt mycket snabbare.

Grunden för säker kommunikation med kryptering är att det är lätt att skapa svåra matematiska problem, men nästan omöjligt att lösa dem baklänges. Modern kryptering bygger på att man multiplicerar ihop stora primtal som fungerar som digitala nycklar. Multiplikationen är enkel, men det är oerhört svårt att i efterhand, med hjälp av faktorisering, räkna ut vilka primtal som ingick. Hela säkerheten vilar på den obalansen.

Ännu finns ingen kvantdator kraftfull nog för att kunna knäcka bankernas eller underrättelsetjänsternas kryptering. Men USA:s militär bygger redan in skydd mot eventuella framtida kvantdatorattacker i sina signalsystem.

Även läkemedelsföretag, flygledare och molekylärforskare är intresserade av kvantdatorns potentiella tillämpningar. Stora organisatoriska eller logistiska problem, som att optimera flygrutter, skulle troligen kunna lösas snabbare om datorn inte behövde tröska igenom alla olika alternativ i tur och ordning, utan med hjälp av kvantbitar kunde testa dem alla samtidigt. Detsamma gäller simuleringar av molekylära reaktioner som kräver enorm beräkningskraft och är centrala för både grundforskning och läkemedelsutveckling.

Det är en storslagen idé: att utnyttja kvantpartiklarnas ofattbara variationsrikedom, deras icke-binära natur. Möjligheterna inom molekylärforskningen är särskilt lockande, eftersom de i grunden handlar om att låta kvantpartiklarna avbilda sig själva. Molekyler binder till andra molekyler, löses upp och smälter samman enligt kvantkemins premisser. Vad vore mer naturligt än att låta just dessa lagar, som också en kvantdator bygger på, styra beräkningarna av vad som ska hända?

Men det finns ett krux. Kvantpartiklarnas värld är rik och magisk bara så länge den lämnas i fred. Så fort partiklarna störs, mäts eller interagerar med omgivningen kollapsar alla de där outsinliga möjligheterna till ett bestämt tillstånd. Schrödingers katt balanserar mellan liv och död endast så länge systemet är slutet. Så fort kammaren öppnas övergår partikeln som styr allt från sitt blandade tillstånd till det ena eller det andra. Detta gäller även för kvantdatorn.

Det är detta som gör kvantdatorn så svår att bygga. Problemet är delvis teoretiskt: att kräva ett svar från kvantdatorn är i sig en mätning – en öppnad dörr – som får informationsmängden att kollapsa. En kvantalgoritm ger därför ingen överblick över alla tal eller flygrutter den bearbetar, och den kan aldrig ersätta en vanlig dator inom alla områden. Men den kan, rätt utformad, ge svar på specifika frågor, så länge beräkningen inte störs.

Risken för informationskollaps är också praktisk. Varje kvantbit måste isoleras fullständigt från sin omgivning, annars störs den, ger ett halvfärdigt svar och glömmer allt den gjort. Forskare har utvecklat flera strategier för att skapa en sådan ostörd miljö. En av dem, som används vid Chalmers tekniska högskola, är att kyla ner chipen till en temperatur kallare än i yttre rymden. I den kylan händer nästan ingenting – och just det är poängen.

Kvantdatorutvecklingen visar att Erwin Schrödingers dödsmaskin förmodligen hade betett sig som en helt vanlig dödsmaskin: kvantpartiklarnas magiska både-och-tillstånd hade kollapsat av sig självt, kanske av ett svagt brus, och katten hade sluppit ur limbot mellan liv och död. Som om naturen har en inre spärr för absurditet, en spärr som kvantdatorutvecklarna nu försöker kringgå.

Deras arbete skär rakt in i den hundraåriga tolkningsdebatten om huruvida kvantfysiken faktiskt finns – och i så fall för vem: elektroner, katter, datorer?