Kvantdatorerna som kan sätta Norden på kartan

I en labbsal på Chalmers i Göteborg hänger en krona i guld från taket. Den ser ut som en fantasiuppfinning hämtad ur en Jules Verne-roman, och är dessutom lika mystisk och lovande, enligt forskarna och ingenjörerna som bygger den.

– Det är mycket steampunk runt det här. Men varje del har sin funktion, säger fysikern Johan Veiga Benesch som samordnar forskarna bakom kvantdatorn.

Knut och Alice Wallenbergs stiftelse har investerat 1,4 miljarder kronor i projektet. Om tre år ska kvantdatorn stå färdig och kunna utföra vissa typer av beräkningar – ett första steg mot att utveckla en maskin som klarar många olika slags kraftfulla uträkningar och kan bidra till att lösa några av vår tids största problem inom klimat och medicin.

I en sal intill står en kopia av kvantdatorn, byggd för att privata företag ska kunna experimentera. Den är inkapslad i en stor cylinder. För att datorn ska kunna arbeta ostört från mikrovågor och annan strålning kyls den ner till en temperatur lägre än i yttre rymden, nära den absoluta nollpunkten, minus 273 grader Celsius.

– Hela konstruktionen är som en rysk docka. Tänk dig en termos med flera lager. Vi suger ut luften så att det blir vakuum och kyler ner till under tio millikelvin. Så rymden är alltså varmare än här inne i kylskåpet, säger Johan Veiga Benesch.

Maskinen som tänker som naturen

”Om du tror att du förstår kvantteknik … förstår du inte kvantteknik”, ska den legendariske fysikern Richard Feynman ha sagt. Det är en nyttig påminnelse för den som försöker förstå hur en kvantdator fungerar. I universums minsta beståndsdelar upphör nämligen de vanliga fysiska lagarna att gälla och andra, mer mystiska, tar vid.

En av dessa är superpositionen: att en partikel kan befinna sig i två olika tillstånd samtidigt. Till skillnad från en konventionell dator, som löser problem genom att bearbeta ettor och nollor i följd, kan en kvantdator hantera båda samtidigt.

– Man kan jämföra det med ett mynt i spinn. Det är både krona och klave på en gång – alltså ett och noll samtidigt. Och det är den här superpositionen som gör kvantdatorer så kraftfulla, säger Ebba Carbonnier, chef för kvantdatorprojektet Qunorth i Köpenhamn, som backas av Novo Nordisk och danska statens investeringsfond Eifo.

När det gäller problemlösning kan man föreställa sig hur de två datortyperna försöker hitta rätt väg ut från en labyrint, förklarar Ebba Carbonnier. Den klassiska datorn testar en väg i taget, medan kvantdatorn utforskar alla möjliga vägar samtidigt.

– Med hjälp av kvantmekaniken kan vi simulera naturen, hur atomer och elektroner faktiskt beter sig. Det gör att vi kan förstå mycket mer av vad som sker i våra celler eller när man utvecklar nya material, säger hon.

Från finans och logistik till medicin

Kvantdatorn kan bli ett kraftfullt verktyg för att lösa problem med många variabler, förklarar kvantfysikprofessorn Göran Johansson, chef för WACQT, det Wallenbergfinansierade kvantprojektet på Chalmers. Han tar upp ett teoretiskt exempel med bordsplaceringar på en fest.

– Om du har fyra gäster så är det hyfsat lätt att fundera på bordsplaceringen. Men med hundra gäster är möjligheterna många fler än antalet partiklar i universum, säger han.

Sådana optimeringsproblem finns överallt: i forskningen, industrin och finanssektorn. En kvantdator kan hjälpa till att hitta den mest effektiva fraktlösningen, den bästa schemaläggningen i ett stort företag eller den säkraste sammansättningen av en investeringsportfölj.

Den framtida kvantdatorns enorma beräkningskapacitet kan även påskynda utvecklingen av nya läkemedel och material. Ebba Carbonnier hoppas att tekniken ska bidra till att ersätta sällsynta jordartsmetaller i batterier, något som i dag är en flaskhals för den gröna omställningen.

Nästa steg i kvantkapplöpningen

Stämningen på Chalmers och vid Qunorth i Köpenhamn är optimistisk – mållinjen verkar inom räckhåll. De datorer som väntas stå klara inom några år kommer kunna lösa vissa matematiska problem som i princip är omöjliga för dagens datorer. Men det räcker inte för den breda tillämpningen, den som ska lösa alla möjliga olika problem.

Ingen vet när vi får en dator stark nog att starta nästa kvantrevolution. Frågar man Nvidias vd Jensen Huang, kan det dröja 15–30 år innan tekniken är allmänt användbar. Men i de tungt finansierade kvantlabben hos Google och IBM har genombrotten kommit allt tätare. Häromveckan hävdade Google att man tagit ett nytt kliv med kvantchippet Willow, vilket enligt företaget lägger grunden för en fullt fungerande kvantdator inom fem år.

Tillväxtkatalysator för Norden

Den globala konkurrensen är stenhård. Totalt har stater och investerare plöjt ner 55 miljarder dollar i kvanttekniken, enligt Forbes. Att bli först med en dator som kan utföra vissa beräkningar miljarder gånger snabbare än dagens skulle ge ett stort teknologiskt övertag, både för företag och för hela ekonomier.

Ebba Carbonnier tror att kvantdatorerna i Köpenhamn, Göteborg och den som byggs i finska Esbo kan bilda ett viktigt kluster för nordisk innovation och skapa ett sådant teknologiskt försprång. Men om regionen tappar fart kan vi gå miste om en viktig katalysator för nordiskt näringsliv, varnar hon.

– Det är ju ett race mellan länder och företag om vem som kommer först och vem som utvecklar den mest kraftfulla kvantdatorn. Det är viktigt att satsa nu, annars hamnar vi hopplöst efter, säger hon och fortsätter:

– Vi vill ha kapaciteten på plats så snabbt som möjligt. Då kan vi uppfinna nya material, optimera våra energisystem och finansiella portföljer samt utveckla framtidens läkemedel.

Vita huset har valt Sverige, Finland och Danmark som samarbetspartner med USA i sin kvantteknikutveckling. Det sätter Norden på kartan, konstaterar Ebba Carbonnier, men kräver fortsatt högt tempo och fler investeringar.

Företagen måste också börja utforska vad kvanttekniken faktiskt kan användas till – så att den kommer till nytta direkt när den blir tillgänglig.

– Vi måste få flera stora företag att börja nu, det går inte att vänta. Jag uppmanar dem att starta team för att ta reda på vad en kvantdator kan hjälpa dem med.

På Chalmers beskriver Göran Johansson vid WACQT hur forskarna nu jagar de problem där tekniken kan få störst effekt.

– Vi är på jakt efter ”the killer application”, säger han och uppmanar näringslivet att delta i den jakten.

– Med kvantdatorn och den kompetensen som byggs här finns det ju en enorm potential att hjälpa våra svenska företag att kunna vara tidiga med att utnyttja kvantdatorernas fördelar, fortsätter han.

I korridorerna på Chalmers känns kapplöpningen. Konkurrensen från de stora jättarna Google, Microsoft och IBM är påtaglig, liksom den mer vänskapliga tävlan med kollegorna i Finland och Danmark. Det är sena kvällar och nätter i labbet för dem som bygger den gyllene framtidsdatorn.

Kan de bli först med en fungerande kvantdator?

– Det kan vi mycket väl bli, säger koordinatorn Johan Veiga Benesch och ler.