Framtidens kvantteknik – kan den leva upp till förväntningarna?

Genom att placera sensorer mot huvudet går det att mäta aktivitet i hjärnan. Daniel Lundqvist, som är professor i hjärn­avbildning vid Karolinska institutet, använder tekniken för att mäta de magnetfält i hjärnan som skapas av hjärnceller när de aktiveras.

Han studerar både friska försökspersoner och patienter. Målet är att kunna använda metoden för att se var vad som händer i hjärnan vid epilepsi. Sensorerna bygger på kvantteknik som gör att det går att mäta hjärncellernas aktivitet med hög känslighet och stor precision.

– Vi registrerar hela hjärnans aktivitet 5 000 gånger i sekunden. Det ger en unik bild av den hjärncellsaktivitet som möjliggör allt från förnimmelser och tankar till tal och rörelser. Idag är det den enda hjärnavbildningsteknik som kan mäta i den hastigheten med den detaljrikedomen, säger Daniel Lundqvist.

Vi registrerar hela hjärnans aktivitet 5 000 gånger i sekunden.

Kvantteknik är ett minst sagt hett område. De globala satsningarna har ökat med 50 procent de senaste tre åren enligt konsultföretaget Quereca. EU har pekat ut kvantteknik som ett viktigt område för Europa. I Tyskland, Frankrike, Nederländerna och Finland satsar staten stort. Och i Danmark har Novo Nordiskfonden gått in och finansierat en kvantsatsning.

Privata och statliga satsningar på kvantteknik

I Sverige har Knut och Alice Wallenbergs stiftelse sedan 2018 finansierat ett centrum för kvantteknik. Nu kommer också statliga pengar till området. Regeringen pekar i forsknings­propositionen bland annat ut kvantteknik som ett strategiskt område och föreslår satsningar på totalt runt 300 miljoner kronor per år från 2028 till området.

– Sverige är med på tåget, säger Mattias Marklund, som är huvudsekreterare för naturvetenskap och teknikvetenskap vid Vetenskapsrådet.

Vetenskapsrådet har på regeringens uppdrag tagit fram ett underlag för en nationell kvantstrategi, ett uppdrag som redovisades i slutet av förra året. Regeringen förväntas lägga fram strategin någon gång under 2025.

– Vi behöver koordinera Sverige i de globala satsningarna, en roll som Wallenbergsatsningen haft hittills. Om staten ska komplettera deras satsning måste det finnas en strategi för hur satsningarna ska göras och vad målet med det är.

Det handlar bland annat om hur resurser ska prioriteras och att säkra att det finns rätt kompetens i alla samhällssektorer. Det ska också finnas ett samspel mellan nationell strategi och nationella åtaganden. Dessutom måste cybersäkerheten stärkas, tillämpningar bli ansvarsfulla och internationaliseringen säker.

Den andra kvantrevolutionen pågår

Visionen är att kvantteknik till 2030-talet ska vara en fullt integrerad del i forskningens vardag – både i förvaltning och i tillämpningar.

– Det ska involvera hela forskningens ekosystem, från forskning på universitet till civil och militär tillämpning, säger Mattias Marklund.

Kvantteknik grundar sig på vår förmåga att manipulera enskilda kvantsystem, som atomer och fotoner (ljuspartiklar). Centralt är det som kallas för superposition och som innebär att en kvantpartikel kan existera i flera tillstånd samtidigt.

Det ska involvera hela forskningens ekosystem, från forskning på universitet till civil och militär tillämpning.

Tekniken har redan stor betydelse – och har lett till uppfinningar som banat väg för dagens datorer och internet. Nu har positionerna flyttats fram och vi ser det som ibland kallas för den andra kvantrevolutionen – och som kan komma att bli viktig för forskningen.

– Potentialen är stor. Det man måste ta hänsyn till är att det finns olika tidshorisonter för de olika delarna inom kvanttekniken.

Kvanttekniken står på fyra ben

Tillämpningarna för kvanttekniken brukar delas in i fyra delar: sensorer, simulering, kommunikation och datorer.

Kvantsensorer – som de som används av forskarna på Karolinska institutet – mäter svaga elektriska och magnetiska fält och har använts inom den medicinska forskningen sedan 1970-talet, även om tekniken som används idag är vassare. Samma sorts sensorer kan också hjälpa ubåtar att navigera djupt under vatten, ersätta GPS om det inte är tillgängligt eller utslaget, eller för att undersöka hur jordens geologi är sammansatt.

För de övriga tre områdena dröjer det något längre innan de rutinmässigt kan börja användas utanför labbet.

– Kvantsimuleringar kan komma att användas för att exempelvis undersöka stora molekylsystem och hjälpa oss att utveckla nya läkemedel, katalysatorer eller material, säger Mattias Marklund.

För kvantkommunikation hägrar i framtiden ett nytt internet, ett kvantinternet.

Det ska bygga på så kallad sammanflätning av partiklar – där en partikel påverkar en annan, trots att de befinner sig långt ifrån varandra – för att föra över information som inte kan avlyssnas.

... hjälpa oss att utveckla nya läkemedel, katalysatorer eller material.

Globalt är intresset för att kunna kommunicera säkert stort, särskilt med tanke på att kvantdatorerna kan vara på väg in på banan. De skulle kunna knäcka den kryptering som används idag.

– I USA finns ett beslut om att myndigheterna ska använda kvantdatorsäker kryptering före 2030, berättar Göran Johansson som är professor i tillämpad kvantfysik vid Chalmers och föreståndare för Wallenbergstiftelsens satsning på ett centrum för kvantteknik, Wallenberg Centre for Quantum Technology, WACQT.

Bygger kvantdator...

Det finns stora förväntningar på vad kvantdatorer kan åstadkomma.

– De skulle kunna ge en helt ny beräknings­dimension, och exempelvis lösa svåra optimerings­problem, säger Göran Johansson.

Förväntningarna bygger på att de minsta enheterna i kvantdatorn, kvantbitar, kan vara både noll och ett samtidigt – till skillnad från en klassisk dator som lagrar information som nollor eller ettor. Det gör att kvantdatorn kan utforska flera lösningar samtidigt och vara snabbare än en klassisk dator.

Forskarna vid Wallenbergcentret bygger en egen 100 kvantbitar stor kvantdator, baserad på elektriska kretsar som leder ström helt utan förluster.

– Idag har vi ett chip med 25 kvantbitar som fungerar bra var för sig. För att få dem att prata med varandra måste de kalibreras automatiskt. Vi har lyckats att få två kvantbitar att kommunicera och göra rätt i 99,48 procent av fallen. Vi har början till ett system, säger Göran Johansson.

... med öppen tillgång

Deras kvantdator är helt öppen. Andra forskare kan få tillgång till hela datorstacken, inklusive chippet med kvantbitarna.

– Centrets målsättning är att bygga kompetens i Sverige, om kvantberäkningar och om hur en kvantdator fungerar. Vi är också helt öppna med felstatistik med mera, vilket behövs för att kunna anpassa algoritmerna och de felkorrigerande koderna på bästa sätt.

Centrets målsättning är att bygga kompetens i Sverige, om kvantberäkningar och om hur en kvantdator fungerar.

Ett problem med kvantdatorer är just att de är känsliga för störningar och det blir många fel. Idag har man visat experimentellt att det går att minska antalet fel med felrättande koder – som hittar fel och gissar rätt – om man använder flera kvantbitar och får dem att samarbeta.

– Det är en utmaning att få ner felsannolikheten, säger Göran Johansson.

”Kan vi få den att göra något nyttigt?”

Det finns en gräns för hur avancerade problem som går att simulera med en klassisk dator. Det amerikanska företaget Google har tagit fram en algoritm som väljer ut slumptal och som är enkel att köra på en kvantdator, men inte på en klassisk dator. På sex sekunder tog kvantdatorn fram slumptal som kan ta 10 000 år att generera på en klassisk dator.

– Men vi vill ha en dator som kan göra något användbart som en klassisk dator inte kan göra. Kan vi få den att göra något nyttigt? Det är den stora frågan.

En kvantdator skulle exempelvis kunna lösa svåra optimeringsproblemen som kan vara intressanta för flyget, som att avgöra vilket flygplan som ska köra vilken rutt när både flygplanen och rutterna blir allt fler.

Hur står sig då Sverige i den internationella konkurrensen?

– Fram tills nu har Wallenbergstiftelsen varit den enda stora satsningen i Sverige. Den kommer nu att stärkas av den nationella satsningen i forskningsproppen som inom de närmsta fyra åren blir jämförbar med eller till och med större än Wallenbergsatsningen. Det blir en rejäl boost och den gör att vi hänger med. Vi är med i matchen, säger Göran Johansson.

Läs mer:

Så här mycket satsar världen på kvantteknik (Quereca) Länk till annan webbplats, öppnas i nytt fönster.

Läs också i Curie:

Ny AI-modell bättre än experter – men läkarna får inte lita helt på tekniken (Curie)