«Help desk» skal gi svensk industri et forsprang innen kvantedatateknologi

I et spartansk innredet rom ved Institutt for mikroteknologi og nanovitenskap på Chalmers henger to testrigger som minner om forgylte lysekroner. Den ene sitter i et sølvglinsende sylindrisk stålskall, designet for å holde en temperatur på minus 273,14 grader Celsius – en hundredels grad over det absolutte nullpunkt.

Her, i det lille laboratoriet, vokser en nystartet virksomhet frem. Målet er å gjøre forskere og svenske industriselskaper, som Ericsson, Saab og Volvo, til pionerer innen bruk av en helt ny type datamaskiner med potensial til langt å overgå dagens teknologi.

Skal klargjøre svensk industri

Det er blitt bygget kvantedatamaskiner på Chalmers i flere år. Teknologien er på fremmarsj, men utviklingen av maskinvaren har fortsatt en lang vei å gå. Forventningene til kvantedatamaskiner er imidlertid allerede store – det snakkes om at teknologien vil kunne gi banebrytende nye muligheter ved å utnytte de kvantemekaniske fenomenene superposisjon og sammenfiltring.

I konvensjonelle datamaskiner er en bit den minste informasjonsbæreren. Bits kan enten ha verdien 0 eller 1 – men aldri begge samtidig i vanlige datamaskiner. Dette er mulig med en kvantedatamaskin, der superposisjon gjør at maskinens kvantebits (på engelsk qubits) kan være både 1 og 0 samtidig.

At kvantebits kan representere to verdier samtidig, gjør at et stort antall beregninger kan utføres parallelt. Beregningskraften økes eksponentielt etter hvert som flere qubits legges til. I dag har Chalmers' kvantedatamaskin 25 kvantebits. Om fem år skal dette tallet ha firedoblet seg, men allerede ved 50–60 fungerende kvantebits sies en kvantedatamaskin å kunne overgå beregningskraften til dagens kraftigste superdatamaskiner.

På sikt spås det at kvantedatamaskiner kan få stor betydning for videreutviklingen av alt fra avlyttingssikker kommunikasjon og skreddersydde legemidler til nye typer superfølsomme måleinstrumenter og kunstig intelligens.

Eneste i sitt slag

Nå står kvantedatateknologi utviklet på Chalmers overfor en ny utfordring – nemlig å bli testet på praktiske beregningsproblemer som svenske industriselskaper sliter med.

Dette skal gjøres på en fersk testplattform som er den eneste i sitt slag i Sverige. Den drives av Chalmers Next Labs (CNL), et nystartet, ikke-kommersielt selskap med oppdrag å gjøre det enklere å få Chalmers' forskning ut til næringslivet og samfunnet.

Til hjelp på kvanteferden vil selskapene få støtte av det som trolig er verdens mest forskningsintensive supporttjeneste – eller en «quantum help desk», som Mårten Skogh og Pontus Vikstål kaller det.

Begge har bakgrunn fra arbeid med kvantealgoritmer på Chalmers. I dag er begge utviklingsingeniører i CNL, hvor de jobber med det nystartede kvantehjelpesenteret.

Lager prototyp-verksted

Siden i fjor har det pågått et intensivt arbeid hos Chalmers Next Labs, der Chalmers bygger en kopi av kvantedatamaskinen som er under utvikling ved universitetet. Snart er klonen ferdig, og den skal da plasseres i laboratoriet hos CNL. Der skal maskinen bli en vesentlig del av et prototypverksted for svenske selskaper og forskere som ønsker å teste sine kvantedatamaskin-ideer.

Prosjektet med kvantetestplattformen finansieres av Knut og Alice Wallenbergs Stiftelse og er en del av Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT), som ledes av Chalmers.

Blant WACQTs samarbeidspartnere finnes blant annet Saab, Astra Zeneca, Ericsson, Jeppesen, Volvo Group samt Göteborgs universitet, KTH-universitetet og Linköpings universitet.

– Tanken er at prosjektet skal gagne svensk industri. Vi skal bli kvanteklare. Kvanteteknologi utviklet her på Chalmers skal kunne ta steget fra laboratoriene og ut i virkeligheten, sier Skogh.

Testingen er i gang

Det nye laboratoriet åpnet i mars, men virksomheten er fortsatt under oppbygging. Likevel er de første målingene allerede i gang.

Vi møter 27 år gamle Zaid Saeed i full gang med å gjøre forskjellige prøvetester på en av riggene som er beregnet for ny kvantedatamaskin-maskinvare. Han er administrerende direktør i Scalinq, et oppstartsselskap med røtter hos Chalmers. Selskapet er det første til å begynne å bruke utstyret fra testplattformen. Han snakker raskt og gir et entusiastisk inntrykk.

– Laboratoriet er fortsatt under utvikling, men Chalmers Next Labs er opptatt av at det umiddelbart skal bli verdiskapende. Så snart dørene åpnet, tok vi kontakt – og nå er vi her.

Scalinq utvikler løsninger for å maksimere kvantedatamaskiners beregningsnøyaktighet. Dette gjøres ved hjelp av kryogentkompatible komponenter for å sende, filtrere og avlese mikrobølgepulser til og fra kvanteprosessoren. Målet er at signalet som når kvantebitsene skal være så rent som mulig fra uønskede frekvenser for å gjøre avlesningen mer effektiv. Selskapet selger i dag tre produkter og har kunder over hele verden.

For øyeblikket jobber Scalinq med å utvikle flere løsninger og videreutvikle eksisterende. Ifølge Saeed er den nye kvantetestplattformen hos Chalmers Next Labs en «game-changer» for unge kvanteselskaper i Sverige. Selskapet har som mål å bygge sitt eget laboratorium, men med Chalmers Next Labs på plass kan Scalinq fokusere på å optimalisere teknologien sin og fortsette å vokse organisk.

– Å selv bygge en testrigg som denne ville kreve en betydelig investering for oss. Det finnes andre testanlegg å henvende seg til, men de ligger ikke i Sverige, og det er ofte ventetider på opptil to år der. Dette er noe annet – som et oppstartsselskap vil man gå i gang og teste så raskt som mulig, sier han.

Ny tankegang

I en annen del av laboratoriet, ved siden av maskinvare-testriggen, skal kopien av Chalmers' kvantedatamaskin plasseres. Der skal såkalte kvantealgoritmer prøvetestes. Denne delen av virksomheten er ennå ikke i gang. Akkurat nå fokuserer kvantehjelpesenteret hos Chalmers Next Labs på å hjelpe selskapene med å ta sine første skritt mot kvantedatamaskinbruk.

Beregningene som kvantedatamaskiner bruker, er fundamentalt forskjellige fra dem som brukes av konvensjonelle datamaskiner. For å kunne løse et problem på en kvantedatamaskin, trengs derfor en helt annen tankegang enn det mange ingeniører og forskere er vant til. Dette betyr at industriselskapenes eksisterende matematiske optimeringsproblemer, beregnet for stormaskiner, først må omdannes til såkalte kvantealgoritmer.

Vikstål forklarer:

– Vi begynner med å finne et passende problem og fortsetter deretter med å skrive selve kvantealgoritmen og bygge en kvantekrets. Arbeidet handler mye om å redusere antallet logiske porter samt å fjerne mest mulig støy fra signalet som sendes til kvantebitsene.

Stort forsprang – i noen tilfeller

Vikståls kollega Skogh går bort til en av testriggene. Av og til høres et knepp fra en temperatursensor. Ifølge Skogh er det nå «uvanlig stille». I kjelleren er det store kompressorer som driver det avanserte kjølesystemet som trengs til kvantedatamaskinen i laboratoriet. Det er mye lyd når kompressorene starter, får vi vite.

Fra gulvet går kabler som klatreplanter til kvantedatamaskinen, som er plassert i et sylindrisk skall sammen med superledende koaksialkabler. Inni kjøles flytende helium ned til temperaturer rundt minus 273,14 grader. Dette er nødvendig både for at kvantebitsene skal fungere og for å minimere støy og signaltap på de mikrobølgepulsene som brukes for å manipulere kretsene på kvanteprosessoren.

Denne typen pulser får kvantebitsene i superledende kvantedatamaskiner, som den hos Chalmers', til å gå i superposisjon, den ettertraktede tilstanden der en qubit kan ha verdien 0 og 1 samtidig.

– En vanlig misforståelse er at kvantedatamaskiner kan gjøre alt bedre enn konvensjonelle datamaskiner, sier Skogh.

– Sånn er det ikke – det handler om veldig spesifikke beregningsproblemer der det kan være et såkalt kvanteovertak som kan gi en eksponentiell akselerasjon av problemløsningen. Dette gir en ekstrem fordel sammenlignet med vanlige datamaskiner, men vi er ikke der ennå.

Vil være forberedt

Et svensk selskap som allerede har blitt kjent med kvantedatateknologien, er Astra Zeneca. Legemiddelselskapet er med i forsøket som gjøres på Chalmers Next Labs, og har i omtrent fem år undersøkt hvordan kvantedatamaskiner kan brukes til å gjøre nøyaktige beregninger og simuleringer av kjemiske reaksjoner.

– Teknologien er fortsatt på et veldig tidlig stadium, så vi forventer ikke at vi allerede i dag skal kunne dra nytte av kvantedatamaskiner i vår virksomhet. Men vi vil holde oss oppdatert på teknologiutviklingen og være forberedt når kvantedatateknologien er mer moden, skriver Anders Broo, ansvarlig for datavitenskap innen tidlig produktutvikling, i en e-post.

Også hos Saab er det interesse for teknologien. Ifølge teknologisjef Petter Bedoire ser forsvarsselskapet prosjektet med kvantetestplattformen i Göteborg som en «langsiktig satsing». I en første fase kunne Saab utføre tester med enklere problemer for å få en bedre forståelse av kvantedatamaskiners egenskaper, kapasiteter og begrensninger, forteller han.

– Hvilke typer applikasjoner håper dere å kunne testkjøre på testplattformen på sikt?

– Fra vårt bransjeperspektiv kan man tenke seg en form for tilsvarende forsvarsoptimalisering – som hvordan et forsvar skal optimalisere sine kapasiteter og ressurser på ut fra et spesifikt scenario. Men det er som sagt en stund til kvantedatamaskiner gjør dette bedre enn de superdatamaskinene som er tilgjengelige i dag, sier Bedoire.

– Må teste nå

En som har vært en del av testplattformprosjektet hos Chalmers Next Labs siden starten, er Per Delsing, som er professor i fysikk ved Chalmers og programdirektør for WACQT.

– Vi vil senke barrierene slik at det blir enkelt å begynne å bruke kvantedatamaskiner. Vi er overbevist om at kvanteteknologi vil ha stor betydning i fremtiden, og da er det viktig at selskapene blir kjent med teknologien allerede nå for å ligge i forkant.

– Hvordan har interessen fra partnerbedriftene i næringslivet vært?

– Det er interesse, og vi tror den vil øke fremover. For oss som forsker på dette området, er det viktig å kunne finne relevante anvendelser for teknologien, slik at den kan brukes til å løse reelle problemer. Det gjør at den dialogen vi har med selskapene om hvordan teknologien kan brukes i praksis, er utrolig viktig.

– Hva kan WACQT forvente seg av avkastning på sin finansiering på 172 millioner kroner?

– Det kommer ikke til å handle om produkter eller penger – målet med prosjektet er å bygge opp en kvantedatakompetanse, noe som vil gi Sverige et viktig forsprang, sier Delsing.

Første testkjøring

På begynnelsen av året inngikk WACQT også en strategisk viktig avtale med IBM, som er ledende innen kvantedatamaskinutvikling. Avtalen gjør at WACQT-partnere, som Volvo Group, AstraZeneca, Ericsson og forskere i Sverige, i tillegg til testplattformen hos Chalmers Next Labs også får tilgang til IBMs 127 kvantebits Eagle- og 133 kvantebits Heron-prosessorer for å testkjøre kvantealgoritmer i større skala.

Samtidig fortsetter arbeidet med å bygge opp testplattformen hos Chalmers Next Labs. Selv om ytelsen til CNLs kvantedatamaskin ikke vil kunne konkurrere med for eksempel IBMs, byr laboratoriet på andre fordeler, mener Delsing. Hos IBM får kvantedatamaskinkundene ingen dypere innsikt i hvordan systemene er bygget opp, men CNL har valgt en annen tilnærming.

– Siden vi er helt åpne med hva som finnes under panseret på vår kvantedatamaskin, er det enklere og billigere å optimalisere algoritmene etter maskinvaren hos oss, noe som øker sjansen for vellykkede beregninger, sier Delsing.

Den første virkelige testen med kvantealgoritmer hos CNL ventes å finne sted neste vår. Fram til da fortsetter arbeidet med å ferdigstille laboratoriet og hjelpe partnerbedriftene med å begynne å utforske mulighetene med kvantedatamaskiner.

– Hva slags testkjøring tror dere det blir på premieren i 2025?

– Det gjenstår å se. Men det kan kanskje bli en feilkorreksjonsprotokoll. På sikt tror jeg det kan handle om alle typer logistiske optimaliseringsproblemer – for eksempel planlegging av flytrafikk. Dette er et typisk problem som faktisk kan løses mer effektivt med kvantedatamaskiner, sier Vikstål.

Artikkelen ble først publisert på Ny Teknik for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.