De klassiska datorernas tid kan snart vara förbi. Med kvantdatorer kommer vi att kunna göra beräkningar som saknar motstycke i historien.

Transkript

1 ETT KOMPENDIUM FRÅN NY TEKNIK 28 KVANTDATORER EN NY DIGITAL REVOLUTION De klassiska datorernas tid kan snart vara förbi. Med kvantdatorer kommer vi att kunna göra beräkningar som saknar motstycke i historien. SUPERDATORERNA Nu byggs andra generationens kvantdatorer 2 KVANTKRAFTEN Kvantdatorns superkraft är känslig för störningar 3 INUTI KRYOSTATEN Så färdas signalerna i en kvantdator 4 PROGRAMMERING Hur programmeras en kvantdator? 5 FÖRETAGEN Teknikjättarna satsar på kvantdatorer 6 KRYPTERING Kvantdatorn knäcker våra nycklar 7 BLOCKKEDJAN Kvantblockkedjan kan ses som en tidsmaskin

2 SUPERDATORERNA Vi står inför en andra kvantrevolution De klassiska datorernas tid i rampljuset kan snart vara förbi. Inom kort kommer vi att kunna göra beräkningar som saknar motstycke i historien. Och en svensk miljardsatsning vill ta täten i kapplöpningen mot kvantdatorn. 965 fick Richard Feynman Nobelpriset i fysik. Ytterligare 6 år senare, 98, höll han ett tal under en konferens arrangerad av MIT och IBM. Där uppmanade han sina åhörare att undersöka möjligheten att bygga en kvantdator. Jag vill tala om möjligheten att göra en exakt simulation, att datorn gör exakt som naturen. Vi kan förkasta alla regler om vad en dator ska vara och säga: Låt själva datorn konstrueras med kvantmekaniska element som lyder under kvantmekaniska lagar. Richard Feynman dog 988, 69 år gammal. Om han hade levt till hade han fått uppleva att denna på den tiden esoteriska dröm nu blivit verklighet. Det är inte längre fråga om kvantdatorer är möjliga, utan om vilka som bygger den först och bäst. Svaret kan bli IBM, Microsoft, Google eller Chalmers i Göteborg. De frågade oss vad vi behövde. Vi svarade att vi behöver åtminstone tio personer i tio år. I vår värld är det en så stor satsning att det känns alldeles för mycket, berättar Göran Johansson, professor i tillämpad kvantfysik på Chalmers. Samtalet Johansson refererar till var mellan hans forskarlag och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. Forskarna i Göteborg hade inga större förhoppningar om ett så stort stöd. Men det positiva gensvaret från stiftelsen säger något om hur angelägen en satsning på kvantdatorer på kort tid blivit: tåget är på väg att lämna stationen. Chalmers och stiftelsen enades om att sjösätta projektet Wallenberg Centre for Quantum Tech-nology. Stiftelsen bidrar med 6 miljoner kronor. Industrin, Chalmers och universitet som KTH och Lund skjuter till ytterligare medel. Budgeten är sammanlagt nästan en miljard. Omkring 4 forskare ska rekryteras till fyra delområden: kvantdatorer, kvantsimulatorer, kvantkommunikation och kvantsensorer. Utveckling av kvantdatorer har pågått sedan slutet av 9-talet. För även om Richard Feynman hade inspirerat var det MIT-forskaren Peter Shor (då på Bell Labs) som 994 visade hur det skulle gå till. Med Shors algoritm demonstrerade han hur en kvantdator skulle vara förmögen att göra beräkningar som en klassisk dator inte klarar. Nu gällde det bara att bygga själva datorn också och en grupp forskare i Göteborg bestämde sig för att göra ett försök. När jag doktorerade 998 dök den första supraledande kvantbiten upp. Två år senare hörde min gamla handledare, Göran Wendin, av sig. Han skulle leda det första Europaprojektet för att bygga en supraledande kvantdator. Jag visste inte vad en kvantdator var för något, men det lät spännande, säger Göran Johansson. Richard Feynman hade visserligen skojat om att ingen förstod kvantmekanik, men vid tiden för hans Cornellföreläsningar 964 hade kännedomen om de egendomliga fysiska beteenden som uppträder i mikrokosmos lett fram till den första kvantrevolutionen. Att kalla det en revolution är ingen överdrift: kvantmekaniken gav oss halvledarteknik som transistorer, utan vilka vår moderna värld sett helt annorlunda ut. I dag tror Chalmers-forskarna att vi står inför en andra kvantrevolution. Och skiftet tycks ske här och nu. Den första kvantbiten som gjordes levde en nanosekund. Den svängde väl några gånger. Numera lever de nästan en millisekund. Det är fem storleksordningar längre livstid, säger Göran Johansson. Vad det betyder är att kvantdatorn börjar bli användbar. Precis så som Richard Feynman föreslog har dagens kvantdatorer konstruerats med kvantmekaniska element som lyder under kvantmekaniska lagar. Det har inneburit och innebär fortfarande oerhörda ingenjörsmässiga utmaningar. Partiklar som elektroner och fotoner kan i kvanttillstånd uppvisa egenskaper som superposition och sammanflätning (läs mer om dem i grafiken här ovan). Det är egenskaper som kan användas för beräkningar som vida överstiger vad en klassisk superdator kan klara, men tillstånden är samtidigt extremt känsliga för störningar. Det har tagit tid att förstå grundläggande saker och det har krävts mycket ingenjörskonst. Det är mikrovågsteknik men det är ju nere på att man ska kunna SIDA 2/

3 SUPERDATORERNA CHALMERS En kvantdator har betydligt större beräkningskraft än dagens bästa superdatorer. Denna maskin står i Chalmers lokaler i Göteborg. avläsa och förstärka enstaka mikrovågsfotoner, säger Göran Johansson om utmaningen. Chalmers målsättning är att konstruera en supraledande dator med kvantbitar. Det är ett ambitiöst mål: ju fler kvantbitar som adderas, desto känsligare blir systemet. IBM har byggt en kvantdator med 2 kvantbitar och siktar nu på en med 5. Utvecklingen går för närvarande mycket snabbt framåt. EU är så angelägna om att hänga med i svängarna att de av-satt miljard euro till kvantteknik. 2, 5 eller kvantbitar låter kanske inte så imponerande, men för varje kvantbit ökar beräkningskraften exponentiellt. Man kan föreställa sig det berömda exemplet med riskornen på schackbrädet. Om man börjar med ett riskorn på första rutan och sedan fördubblar antalet riskorn på efterföljande rutor så verkar det till en början ganska odramatiskt. Två riskorn på ruta två, fyra riskorn på den tredje rutan, åtta på ruta fyra. När man fyllt hela schackbrädet finns där ungefär 8 triljoner riskkorn. En kvantdator har långt större beräkningskraft än dagens bästa superdatorer och kan exempel- vis utnyttjas för att lösa optimeringsproblem, till avancerad maskininlärning, och tunga beräkningar av molekylers egenskaper, säger Per Delsing, professor i kvantkomponentfysik vid Chalmers och programdirektör för satsningen. Och kan vi fullt ut lära oss vilka egenskaper molekyler har kan vi potentiellt sett designa mer effektiva läkemedel eller förstå hur vi på ett smartare sätt kan bekämpa uppvärmningen av vår planet. Det var den visionen om kvantdatorns förmåga Richard Feynman såg framför sig och den är nu på väg att bli verklighet. PETER OTTSJÖ, peter.ottsjo@nyteknik.se SIDA 3/

4 2 KVANTKRAFTEN Kvantdatorns superkraft är känslig för störningar Kvantbit och superposition I en klassisk dator kodas information i en grundenhet som kallas bit. En bit kan ha ett av två olika tillstånd, ett eller noll. Tio bitar kan ha ett av 24 olika tillstånd. Bit En kvantbit (ofta kallad qubit) kan däremot existera som en etta och en nolla samtidigt, eller i vilket sammansatt tillstånd som helst mellan ettan och nollan. Det kallas superposition. Man kan föreställa sig en superposition som ett klot där ettan och nollan utgör varsin pol. För partiklar som elektroner och fotoner tillhör superposition vardagen. En foton, ljusets minsta beståndsdel, kan färdas längs två olika vägar samtidigt. En elektron kan befinna sig i två olika atomer samtidigt. Kvantbit Kvantalgoritmer De instruktioner som krävs för att lösa problem på en kvantdator skiljer sig fundamentalt från de algoritmer som används till en klassisk dator. Algoritmerna är designade för att dra vinning av kvantfysikens särskilda egenskaper, som superposition och sammanflätning. De måste också kodas på så sätt att kvantdatorn inte ger ett slumpmässigt resultat, utan ett önskat resultat. Superposition David Gosset, en kvantdatorforskare hos IBM, har förklarat att det i väldigt generella termer handlar om att först använda samma typ av problemformulering som till en klassisk dator. Den indatan försätts i ett kvanttillstånd vilket är en superposition av ett exponentiellt antal klassiska tillstånd. Det kvanttillståndet, som rymmer problemet, kodas sedan om till ett kvanttillstånd som rymmer lösningen. Kvantdator Söker igenom all data samtidigt, och upprepar det flera gånger. Klassisk dator Söker igenom all data steg för steg. Tid Fakta: Peter Ottsjö Grafik: Jonas Askergren Källor: IBM, Chalmers, Nature SIDA 4/

5 2 KVANTKRAFTEN Dekoherens Kvantmekaniska fenomen som superposition och sammanflätning är extremt känsliga för störningar utifrån. Om de störs, mäts eller observeras kollapsar de kvantmekaniska egenskaperna till ett klassiskt tillstånd. En kvantbit i en superposition av en etta och en nolla kommer då att omvandlas till antingen en etta eller en nolla. Detta fenomen kallas dekoherens. Dekoherens utgör en av de största utmaningarna i bygget av en kvantdator. Kvantbitar måste manipuleras för att dess kretsar ska kunna kontrolleras och för att programmen ska kunna köras. I de tidigaste försöken var koherenstiden en nanosekund. I dag är den nära mikrosekunder, en förlängning med fem storleksordningar. Ju längre koherenstid, desto fler kvantbitar kan användas i ett system. Sammanflätning Föreställ dig en kvantbit som rymmer en etta och en nolla. Addera en kvantbit med ytterligare en etta och en nolla. Med hjälp av ett kvantfysiskt fenomen kallat sammanflätning kan de två kvantbitarna flätas samman och bilda en superposition av två ettor och två nollor, där det alltså finns både två nollor och två ettor samtidigt. De möjliga tillstånden ökar således exponentiellt. Tio kvantbitar kan befinna sig i 24 tillstånd samtidigt. Det ger möjlighet till parallellberäkning på en nivå klassiska datorer inte kan matcha. Felfrekvens Sammanflätning ger två eller fler kvantbitar möjlighet att tillsammans existera i superposition. Men ju fler kvantbitar, desto känsligare blir systemet. En metod i dag är att omge en logisk kvantbit med kvantbitar som assisterar med felkorrigering. Fler kvantbitar i ett system är ingen garant för att systemet är mer kraftfullt än ett med färre: dess kvalitet avgörs i stor utsträckning av vilken felfrekvens det har. Logisk kvantbit Fakta: Peter Ottsjö Grafik: Jonas Askergren Källor: IBM, Chalmers, Nature SIDA 5/

6 3 INUTI KRYOSTATEN Så här färdas signalerna genom kvantdatorn Kretsarna, som placerats på mikrochip, kyls ner i ett utspädningskryostat som är placerat i ett mätlabb. För att minska känsligheten för dekoherens sänks temperaturen till 5 millikelvin (minus 273 grader Celsius, eller kallare än det är i yttre rymden). NIVÅ: 4 KELVIN 7 I ett sista steg förstärks signalen ytterligare. Kvantbitar är extremt känsliga för störningar utifrån. Samtidigt måste de, med hjälp av mikrovågsfotoner, manipuleras för att dess kretsar ska kunna kontrolleras och för att programmen ska kunna köras. Här används dämpare och filter för att skydda mot termiskt brus och för att få ner exakt rätt antal fotoner. Signalerna färdas via koaxialkablar som är en millimeter i diameter. NIVÅ: 8 MILLIKELVIN NIVÅ: MILLIKELVIN 6 Supraledande koaxialkablar. På den här temperaturnivån används supraledande koaxialkablar för att minimera signalförluster. Supraledare leder värme dåligt vilket minskar uppvärmningen. NIVÅ: 5 MILLIKELVIN 4 För att kunna utläsa resultatet av de beräkningar som skett i kvantprocessorn krävs en eller flera signalförstärkare. Utöver förstärkningen minimeras också brus. 5 Kryoisolatorer hjälper kvantbitsignaler att ta sig vidare. Även dessa hjälper till med att reducera brus. 2 Blandkammaren gör det möjligt att kyla kvantprocessorn och dess tillhörande komponenter till 5 millikelvin. Även om kvantegenskaper uppträder vid högre temperaturer än så krävs nedkylningen för att göra systemet mer stabilt. Fotnot: Grafiken visar en supraledande kvantdator med kryostatteknik. Det finns även andra metoder för att konstruera en kvantdator. 3 Här sitter själva kvantprocessorn. Den är placerad inuti en sköld som skyddar mot variationer i magnetfält, som annars kan störa kvantbitarna. Fakta: Peter Ottsjö Grafik: Jonas Askergren Källor: IBM, Chalmers, Nature SIDA 6/

7 4 PROGRAMMERING SÖREN HÅKANLIND Mikrochip med tre supraledande kvantbitar. Runt chiphållaren sitter kontakter för mikrovågorna som styr kvantprocessorn. Hur programmerar man en kvantdator? En mikrovågspuls som logisk grind. Det är en metod för att kunna ge instruktioner till en kvantdator. I en serie artiklar om utvecklingen av kvantdatorer har Ny Teknik beskrivit kvantmekaniska egenskaper som superposition och sammanflätning. Vi har också visat hur ett kryostat till en supraledande kvantdator fun - gerar. Men våra läsare vill veta mer. Två av frågorna som har dykt upp: Hur programmerar man en kvantdator? Och hur avläser man resultatet? Till en klassisk dator kan man använda en elektrisk krets där olika spänningsnivåer kan representera olika binära symboler. En etta eller en nolla. Sant eller falskt. Ja eller nej. En kvantdator utnyttjar de kvantmekaniska egenskaper som bara existerar på atomskalan. En så kallad kvantbit kan vara en foton, elektron eller något annat som uppvisar kvantmekaniska egenskaper. För att ändra tillståndet för en kvantbit används en kvantgrind: en åtgärd som ändrar kvantbitens tillstånd. Det kan röra sig om att tillföra mikrovågspulser som är kalibrerade för att vara resonanta med kvantbitens övergångsfrekvens. När det gäller kvantalgoritmer har David Gosset, en forskare hos IBM, bidragit med en bra förklaring. Kvantdatorer kan köra algoritmer som inte kan används till en klassisk dator. De algoritmerna drar vinning av kvantmekaniska egenskaper som icke-lokalitet, sammanflätning, superposition och interferens. Så när man designar en kvantalgoritm är målet att utnyttja de kvantmekaniska egenskaperna för att nå fram till lösningen snabbare. Generellt sett, säger Gosset, handlar det om att börja med samma sorts inmatning man använder för att lösa problem på en klassisk dator. Den inmatningen ska sedan räknas om till ett kvanttillstånd vilket är en superposition av ett exponentiellt antal klassiska tillstånd. Därpå är målet att förändra det kvanttillståndet, som rymmer problemet, till ett kvanttillstånd som rymmer lösningen. Försöker man mäta eller observera vad som sker innan algoritmen anlänt till det kvanttillstånd som rymmer lösningen kommer ett slumpmässigt resultat spottas ut. Det beror på att alla försök att mäta superposition får kvanttillståndet att kollapsa till ett klassiskt tillstånd. PETER OTTSJÖ, peter.ottsjo@nyteknik.se SIDA 7/

8 5 FÖRETAGEN Teknikjättar: Nästa stora paradigmskifte Kvantdatorer är extremt känsliga för störningar utifrån. Nu tror sig Microsoft ha hittat en lösning. Samtidigt kopplar IBM upp sin kvantdator till molnet. Vad gäller molekyler är det du häller i din kopp på morgonen inte särskilt avancerat. Koffeinmolekylen ser ut som en stjärna med en pil som pekar åt höger. Men klassiska datorer får svettas och stånka och frusta för att kunna simulera den. IBM har ibland gjort ett nummer av att inte ens superdatorer kan hantera koffeinmolekylen, medan Microsoft menar att, jo, det går faktiskt. Det IBM och Microsoft dock är överens om är att det finns mer komplexa molekyler som är helt utom den klassiska datorns räckvidd. Men när kvantdatorn blir tillräckligt kraftfull kommer den att kunna simulera dessa strukturer. En vi är intresserade av är nitrogenas, säger Julie Love, affärsutvecklingschef för Microsofts kvantdatordivision. Nitrogenas är ett enzymsystem som katalyserar kvävefixeringen i jordbakterier och blågröna alger. När företag försöker göra detta för att skapa gödsel använder de en process som är hundra år gammal. Den kräver mycket energi och förbrukar omkring 3 procent av jordens naturgas. Med en kvantdator skulle vi kunna göra det till en lägre kostnad, med lägre förbrukning av energi och mindre utsläpp av koldioxid. Microsoft ser utvecklingen av kvantdatorer som något lika angeläget som artificiell intelligens. Det vet vi för att bolagets vd, Satya Nadella, i sin nytutkomna självbiografi skriver att bortom molnet är kvantdatorn en av de stora teknikutvecklingarna. Vi ser kvantdatorer som nästa stora paradigmskifte. Trots alla framsteg vi gjort de senaste 6 åren så finns det fortfarande problem i vår värld vi inte kan lösa med klassiska datorer. Vi kommer aldrig att lösa dem med klassiska datorer. Så nu vill vi hjälpa våra kunder att lösa dem, säger Julie Love. Till skillnad från många av sina konkurrenter har Microsoft valt en väldigt speciell metod för att designa sin kvantdator. De kallar den topologisk kvantdator och den bygger en 8 år gammal förutsägelse av en italiensk fysiker, Ettore Majorana. Han argumenterade för att det existerade en kvasipartikel (som senare döptes till majorana-partikeln) som är sin egen antipartikel, med en neutral laddning. Ett nederländskt forskarlag upptäckte förekomsten av en majorana-partikel i ett labb 22 och Andreas Fuhrer framför nedkylningsapparaturen där kvantdatorns processor huserar. forskarna ingår numera i Microsofts självutnämnda quantum dream team. Väldigt förenklat ska Microsoft bygga en kvantdator där en rad av elektroner på vardera sida skyddas av en och samma majoranapartikel (som i ett superpositiontillstånd samtidigt kan existera på elektronradens båda ytterkanter). Med nanotrådar flätas denna rad och själva flätningen fungerar som en logisk grind. En medsols flätning kan vara en etta och en motsols flätning kan vara en nolla. Detta ska motverka dekoherens (se vår grafik på föregående sidor), eftersom även om brus från omgivningen påverkar majoranapartikeln på ytterkant A eller B så kommer bruset inte påverka partikelns relativa position till sig själv. Detta låter oss lagra kvantinformation på ett topologiskt, icke-lokalt, sätt. Det brus som kommer in kan inte bara störa en av positionerna utan måste störa båda samtidigt. Detta minskar felfrekvensen dramatiskt, säger Julie Love. Även IBM storsatsar på bygget av en kvantdator. Redan i dag kan allmänheten köra algoritmer på deras IBM Q- molnplattform, en dator med 7 kvantbitar. IBM har en dator med 5 kvantbitar i sikte. Vi tror att kvantdatorer kommer att ingå i en datahall där kvantteknik kan snabba upp och jobba i tandem med klassisk hårdvara. Och det kommer att vara tillgängligt via molnet. Med IBM Q blev vi de första som visade att det går att ge en kvantupplevelse genom att koppla upp systemet till molnet, säger doktor Andreas Fuhrer som jobbar på IBM:s forskningsdivision i Zürich. PETER OTTSJÖ, peter.ottsjo@nyteknik.se IBM SIDA 8/

9 6 KRYPTERING Kvantdatorn knäcker våra nycklar En kvantdator kommer att kunna knäcka dagens krypteringsmetoder. Lösningen? Kvantkryptering. Dagens datakryptering bygger på RSA, en 4 år gammal algoritm. Den är inte perfekt, men tillräckligt effektiv i en värld som bara består av klassiska datorer. RSA exploaterar det faktum att klassiska datorer har ett kluvet förhållande till primtalsfaktorisering. Om datorn å ena sidan känner till vilka primtalsfaktorer som ska ge ett givet tal har den inga bekymmer med att multiplicera faktorerna för att få fram talet. Om den å andra sidan bara känner till det givna talet är den mer eller mindre oförmögen att klura ut vilka primtalsfaktorerna är, hur mycket processorkraft man än använder. Det är detta som ligger till grund för det vi kallar den publika och privata nyckeln. Och när en tillräckligt kraftfull kvantdator anländer lär den göra metoden helt verkningslös. Om du i dag skickar data till mig som är krypterad kan en tredje part inte avkoda den informationen. Men däremot skulle de kunna lagra krypterad data och vänta till dess att kvantdatorn är här. Så du bör försäkra dig om att den data du skickar i dag inte för alltid måste vara krypterad, säger professor Andrew Lord, expert på fotonik och kvantteknik hos brittiska telekombolaget BT. Faktum är att det här kusliga scenariot har varit känt sedan mitten av 9-talet. Det var då MIT-forskaren Peter Shor (då på Bell Labs) skrev en av de första kvantalgoritmerna. Shors algoritm visade att en kvantdator, med sin exponentiellt större beräkningskraft, skulle kunna lista ut de primtalsfaktorer klassiska datorer har sådana bekymmer med. Det finns alltså en stor oro över vad som kommer att hända när kvantdatorn till slut blir verklighet, säger Andrew Lord. Men kvantteknik kan å andra sidan erbjuda kryptering som i princip inte går att knäcka. Med en så kallad kvantnyckeldistribution (QKD) kan man dra vinning av de fysiska egenskaper som är vanliga för partiklar på atomskalan. En möjlighet är att via en optisk fiberkabel skicka en enda foton som befinner sig i ett tillstånd som kallas superposition (se vår grafik på föregående sidor). Fotonen kodas till att bestå av en superposition av en etta och en nolla. Det innebär att fotonen samtidigt kan vara en etta och en nolla. När fotonen mäts eller observeras kollapsar dess superposition till ett klassiskt tillstånd: antingen en etta eller en nolla. Låt säga att någon vill stjäla fotonen. Eller kopiera den, klona den eller helt enkelt bara observera den. Så fort någon gör det så ändras fotonens tillstånd. När den anländer till sin tänkta destination har den förändrats till ett tillstånd den inte borde vara i. Man kan omgående se att någon försökt avlyssna kommunikationen. Det är egentligen det hela, säger Andrew Lord. Men det är inte riktigt det hela. De ensamma fotonerna har nämligen ett bekymmer: de tenderar att försvinna på avstånd längre än omkring kilometer. Alternativet är att slussa krypteringsnyckeln (den ensamma fotonen) via ett kvantsystem till en ny krypteringsnyckel. För varje sluss eller relä krävs en fysisk plats som, även om den är säkerhetsklassad, utgör en svag länk. Men det finns faktiskt en annan möjlighet. Och det är QKD över satellit, säger Andrew Lord. Tanken är att utnyttja kvantfysikens mest häpnadsväckande egenskap: sammanflätning. Om två fotoner i superposition flätas samman spelar det sedan ingen roll vilket avstånd det är mellan dem, de är bundna till varandra om så den ena fotonen tar sig till andra sidan universum. När den ena fotonen i paret mäts och kollapsar till ett klassiskt tillstånd kommer den andra fotonen ögonblickligen kollapsa till exakt samma tillstånd. Faktum är att de är en del av samma sak, de råkar bara inte befinna sig intill varandra. Kvantmekanik är med andra ord inte lokal. Med superposition och sammanflätning kan en krypteringsfoton skickas till och från basstationer via en satellit i låg omloppsbana runt jorden. SIDA 9/

10 6 KRYPTERING BT Krypterings- och kvantöverföringsapparatur. Så du kan skicka krypteringsnycklar genom att använda den enda fotonen mellan, säg, London och Stockholm och de nycklarna kan kryptera data som färdas i kablar längs havsbotten. Det förutsätter naturligtvis att satelliten är säker och att det inte flyger någon James Bond-typ bredvid. Än så länge förekommer inte kvantkryptering i stor skala. Ett schweiziskt företag, ID Quantic, säljer utrustning till universitet och banker, men priserna är avskräckande höga. Lord tror dock att alla som vill skydda sitt nätverk eller sin infrastruktur framöver kommer att undersöka möjligheterna med den nya tekniken. Mycket av det jobb vi gör för tillfället är tillsammans med Toshiba och det är inget litet företag. Huawei gör mycket forskning kring kvantteknik. Så jag tror vi kommer att se en marknad där priserna är betydligt lägre. Men det lär inte komma till en nivå där var och en har kvantkryptering i hemmet. Såvida man inte är väldigt paranoid och har gott om pengar. PETER OTTSJÖ, peter.ottsjo@nyteknik.se Kina är pionjärer inom kvantteknik När det gäller kvantkommunikation har Kina tagit täten. De har byggt ett system för att distribuera kvantnycklar (QKD) mellan Shanghai och Peking. Den 2 kilometer långa sträckan mellan Shanghai och Peking förbinds med 32 relästationer för att få den krypterade fotonen att röra sig över ett så stort avstånd. Kina har även lyckats kommunicera med den typ QKD-satellit Andrew Lord nämner. SIDA /

11 7 BLOCKKEDJAN Kvantblockkedja kan ses som en tidsmaskin En blockkedja byggd med fotoner som kan påverkas i förfluten tid? En grupp forskare i Nya Zeeland menar att det är fullt möjligt. GRAHAM CARLOW / IBM Nyzeeländska forskare vill inte bara para en blockkedja med kvantteknik, de uppger att det i framtiden kommer att bli ett måste. En blockkedja kan ses som en databas av transaktioner, där varje transaktion går att spåra, och inte kan förvanskas i efterhand. Tekniken ligger bakom kryptovalutan bitcoin men har på senare år kommit att få allt fler tilllämpningar. En ingrediens som gör blockkedjan säker är att den bygger på kryptografiska protokoll. En tillräckligt kraftfull kvantdator skulle inte ha några problem med att forcera den kryptografiska muren (vilket bland annat också kan komma att innebära att våra lösenord blir värdelösa i framtiden). Lösningen? Bemöt kvantteknik med kvantteknik. Forskarna vid Victoria-universitetet i Wellington föreslår att man utnyttjar den för oss i den klassiska världen märkliga kvantmekaniska egenskapen sammanflätning. I ett sammanflätat tillstånd är två eller flera partiklar bundna till varandra oavsett vilket avstånd det är mellan dem: de är två delar av ett och samma samma kvantsystem. Vid observation eller mätning av en av partiklarna kollapsar systemet till ett klassiskt tillstånd. Som ett resultat av det kommer övriga partiklar i systemet omedelbart att påverkas, något Albert Einstein kallade kuslig avståndsverkan. Men det de nyzeeländska forskarna föreslår är inte en blockkedja som drar vinning av rumslig sammanflätning, utan ett kvantsystem där partiklar är sammanflätade i tidsdimensionen. Vår metod går ut på att försätta blockkedjan i ett tidsmässigt Greenberger Horne Zeilinger-tillstånd av fotoner som inte existerar samtidigt. Det är demonstrerat att sammanflätning i tid, snarare än i rum, ger avgörande kvantfördelar. Alla underliggande komponenter i detta system har förverkligats genom experiment. Kanske mer chockerande är att vår kodningsprocedur kan tolkas som att icke-klassiskt påverka det förflutna: därför kan denna decentraliserade kvantblockkedja ses som en kvantnätverksbaserad tidsmaskin, skriver de. Det skulle betyda att en kvantblockkedja designad på Ett IBM-kryostat förberett för ett system med 5 kvantbitar. det här sättet utgörs av block som inte längre existerar, men likafullt är kvantfysiskt sammanflätade med det senaste blocket i kedjan (vars foton fortfarande existerar). Och ett eventuellt försök att manipulera det senaste blocket gör att sammanflätningen kollapsar. I praktiken innebär det att de fotoner som utgör bevisen för tidigare block påverkas i dåtid, före mätningen gjordes. Därav jämförelsen med tidsmaskiner. En tidsmässig blockkedja adderar en mycket större fördel på så sätt att den som försöker attackera systemet inte ens kan försöka få tillgång till de tidigare fotonerna eftersom de inte längre existerar. De kan i bästa fall försöka manipulera den sista återstående fotonen, något som skulle ogiltigförklara hela tillståndet...vi kan tolka proceduren som att vi inte länkar det senaste registret för ett block till ett register i det förflutna, utan till det faktiska registret i det förflutna, ett som inte längre existerar. PETER OTTSJÖ, peter.ottsjo@nyteknik.se SIDA /