Europa presenterar sin vision för en kvantframtid

Kapplöpet om att erövra kvantvärlden är bland de mest hårda konkurrensutsatta inom teknik. Kina och USA har båda investerat miljarder i att utveckla nya sätt att utnyttja fysikens konstiga lagar som kvanteffekter ger tillgång till. Löftet är en ny era av datoranvändning och kommunikation och, naturligtvis, oväntade rikedomar.

I all spänning lämnas en del av världen bakom sig. Europa har en rik historia av innovation inom kvantfysik men har börjat hamna efter sina globala konkurrenter på senare år.

Det är därför EU-kommissionen meddelade 2016 att den investerade en miljard euro i en forskningssatsning som kallas kvantteknologins flaggskepp. Målet för detta projekt är att utveckla fyra teknologier: kvantkommunikation, kvantsimulering, kvantberäkning och kvantavkänning. Efter nästan två år, hur går det?

Att kontrollera kvantsystem är en betydande utmaning.

Idag får vi en inblick tack vare publiceringen av European Quantum Technologies Roadmap, en uppdaterad version av dokumentet som anger projektets mål under de kommande 10 åren. I synnerhet beskriver den två framväxande områden som har fått mindre intresse i andra delar av världen – kvantmjukvara och kvantkontroll. Dessa kan få betydande konsekvenser för framtiden för europeisk kvantteknik.

Dokumentet börjar med att beskriva fokusområdena. Den första, kvantkommunikation, erbjuder möjligheten att skicka data från en plats till en annan med fullständig integritet, garanterad av fysikens lagar. Det blir allt viktigare eftersom en annan teknik – kvantberäkning – snart kommer att kunna bryta den kryptering som vanligtvis används idag. Säker kommunikation är en av grunderna för det moderna samhället, vilket möjliggör e-handel och säkerställer integriteten för företag, myndigheter och militär kommunikation.

Problemet är att befintliga kvantkommunikationssystem är dyra och komplicerade att hantera och driva. Nästa steg i utvecklingen av dessa system är att göra dem mycket mer hanterbara.

Kommissionen säger att detta är nära förestående: Förutsägbar inom de närmaste tre åren är utvecklingen av autonoma [kvantkommunikation] system över storstadsavstånd som kommer att hantera låga driftsättningskostnader, höga säkra nyckelhastigheter (> 10 Mbps) och multiplexering.

Ett annat problem är att kvantkommunikation bara fungerar över punkt-till-punkt-förbindelser på cirka 100 kilometer. Så forskare arbetar också med kvantroutrar som kan skicka signalerna mycket längre. Om 6 år kommer vi sannolikt att se [kvantkommunikationssystem] i testbäddsnätverk, som demonstrerar långa avstånd via betrodda noder, höghöjdsplattformssystem eller satelliter, såväl som multinods- eller omkopplingsbara nätverk inom staden, som alla kommer att kräver att storskaliga infrastrukturprojekt initieras, säger rapporten.

Nästa område är kvantberäkning, som använder kvantprocesser för att generera imponerande databehandlingsprestanda. Detta har varit möjligt i skalan av bara några få kvantbitar, eller qubits, under några år. Utmaningen idag är att skala kvantdatorer till 100 qubits eller mer.

Denna färdplan beskriver fem möjliga sätt att göra detta, genom att använda system som lagrar och bearbetar kvantinformation på olika sätt. Dessa inkluderar lagring av informationen i joner fångade i ett magnetfält eller i atomkärnor inbäddade i kisel eller kol, i strömflödet genom små supraledande kretsar eller i fotoner som färdas genom fotoniska kretsar.

Kommissionen förväntar sig helt klart storskalig kvantbearbetning med en eller flera av dessa teknologier inom fem till tio år. Huruvida detta kommer att göras i Europa först är mycket mindre klart.

Kvantsimulering är det tredje investeringsområdet. Att simulera komplexa kvantegenskaper på en vanlig dator är nästan omöjligt. Men kvantsystem kan göras för att simulera aspekter av andra kvantsystem mer eller mindre perfekt.

Fysiker leker med olika sätt att göra detta på. Grundidén är att hitta ett kvantsystem som är välförstått och lätt att manipulera och mäta, och sedan använda det för att simulera ett system som är svårt att manipulera och mäta.

De välkända systemen inkluderar ultrakalla atomer och molekyler, joner fångade i magnetfält och supraledande kretsar. De mer komplexa systemen som fysiker vill förstå förekommer inom högenergifysik, inom kosmologi, i statistisk fysik och till och med inom biologi, där kvantprocesser verkar spela en roll för energiöverföring. Löftet är att kvantsimulering kan ge insikter i alla dessa områden.

Men det finns betydande utmaningar. Dessa inkluderar att hitta intressanta system som kan simuleras med befintliga tekniker och designa ett lämpligt experiment för att göra detta. Utöver detta måste fysiker hitta sätt att vara säkra på att systemet har utfört simuleringen korrekt.

Hur mycket av detta som kommer att vara möjligt inom de närmaste 10 åren är ännu inte klart.

Det fjärde intresseområdet är kvantavkänning och metrologi. Tanken här är att om vi vill utnyttja kvantvärlden måste vi kunna mäta och känna av den. Det innebär att mäta universum i skalan av atomer och fotoner över lämpligt korta tidsskalor.

Fysiker har en mängd olika verktyg för att göra detta, men de behöver alla förbättras. Så kvantklockor måste göras mer exakta, atomsensorer måste göras känsligare och optomekaniska sensorer måste göras mer kapabla.

Färdkartan avslutas med en diskussion om två nya intresseområden. Den första är kvantkontroll: förmågan att manipulera kvantsystem med hjälp av externa elektromagnetiska fält eller krafter. Målet med kvantoptimal kontroll är att utforma och implementera former av pulser av externa fält eller sekvenser av sådana pulser, som når en given uppgift i ett kvantsystem på bästa möjliga sätt, står det.

Det handlar med andra ord om att knuffa kvantsystem med radiovågor och laserstrålar för att få dem att bete sig på specifika sätt. Förväntningen är att denna typ av exakt styrning av kvantsystem kommer att möjliggöra storskalig kvantberäkning och simulering, bland annat.

Det andra av dessa nya områden är utvecklingen av kvantmjukvara, som är mycket svårare att utveckla än vanlig programvara eftersom qubits kan existera som både 0 s och ett s samtidigt. Det betyder att flera qubits kan utföra många beräkningar parallellt, vilket är anledningen till att kvantdatorer är så enormt kraftfulla.

Men att utvinna svaret från dessa beräkningar är svårt. Och det gör kvantalgoritmer enormt ömtåliga.

Potentialen är att kvantalgoritmer dramatiskt kan överträffa klassiska beräkningar. Men att faktiskt hitta algoritmer som kan göra detta är knepigt. Denna programvara kommer att behöva fungera på skalan för både datorer och hela nätverk. Att avancera på detta område kan vara ett sätt för Europa att hoppa över konkurrenter som har en fördel i hårdvaruutveckling.

Ett av de mest spännande problemen är att utveckla en teori om kvantinformation. Den klassiska teorin om information som utvecklades på 1940- och 50-talen av matematikern och ingenjören Claude Shannon har blivit grunden för modern datoranvändning och kommunikation. En liknande kraftfull teori för kvantinformation undviker teoretiker, men att utveckla en sådan är ett viktigt mål i Europa. Mycket kommer att bero på resultatet.

Om denna färdplan är en korrekt sammanfattning av Europas inställning till utvecklingen av kvantteknologi, kommer dess globala rivaler knappast att skaka i sina stövlar. För det mesta saknar planen ambition i förhållande till arbete på annat håll. Kina, till exempel, har redan en satellit i omloppsbana som kan kvantkommunikation med marken, och detta är kvantsamhällets avundsjuka världen över.

Undantagen finns inom områdena kvantkontroll och kvantmjukvara. Dessa möjliggör teknologier med breda tillämpningar i kvantvärlden och kan utgöra en viktig språngbräda för Europa.

En stor okänt är industrins roll i kvantteknologiernas framtid. Europa är desperat efter att samarbeta med företag som Google, IBM och Microsoft, som alla utvecklar sin egen kvantteknologi. Men mycket av detta arbete har gjorts i USA hittills. Att ändra den inriktningen måste vara en prioritet om Europa ska få lämpliga belöningar från sin miljardinvesteringar.

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

Dölj