Europa løfter sløret for sin vision for en kvantefremtid

Kapløbet om at erobre kvanteverdenen er blandt de mest konkurrenceprægede inden for teknologi. Kina og USA har begge investeret milliarder i at udvikle nye måder at udnytte fysikkens mærkelige love, som kvanteeffekter giver adgang til. Løftet er en ny æra med databehandling og kommunikation og selvfølgelig uanede rigdomme.

I al spændingen bliver én del af verden efterladt. Europa har en rig historie med innovation inden for kvantefysik, men er begyndt at sakke bagud i forhold til sine globale konkurrenter i de senere år.

Derfor annoncerede Europa-Kommissionen i 2016, at den investerede en milliard euro i en forskningsindsats kendt som Quantum Technology Flagship. Målet for dette projekt er at udvikle fire teknologier: kvantekommunikation, kvantesimulering, kvanteberegning og kvantesansning. Hvordan går det efter næsten to år?

Styring af kvantesystemer er en betydelig udfordring.

I dag får vi et indblik takket være udgivelsen af ​​European Quantum Technologies Roadmap, en opdateret version af dokumentet, der opstiller projektets mål over de næste 10 år. Især skitserer den to nye områder, der har fået mindre interesse i andre dele af verden - kvantesoftware og kvantekontrol. Disse kan få betydelige konsekvenser for fremtiden for europæiske kvanteteknologier.

Dokumentet begynder med at skitsere fokusområderne. Den første, kvantekommunikation, giver mulighed for at sende data fra et sted til et andet med fuldstændig privatliv, garanteret af fysikkens love. Det bliver stadig vigtigere, fordi en anden teknologi - kvantecomputere - snart vil være i stand til at bryde den kryptering, der almindeligvis bruges i dag. Sikker kommunikation er et af grundlaget for det moderne samfund, der muliggør e-handel og sikrer privatlivets fred for virksomheds-, regerings- og militærkommunikation.

Problemet er, at eksisterende kvantekommunikationssystemer er dyre og komplekse at administrere og drive. Næste trin i udviklingen af ​​disse systemer er at gøre dem meget mere håndterbare.

Kommissionen siger, at dette er nært forestående: Inden for de næste tre år kan der forudses udvikling af autonome [kvantekommunikation]-systemer over storbyafstande, der vil adressere lave implementeringsomkostninger, høje sikre nøglehastigheder (> 10 Mbps) og multipleksing.

Et andet problem er, at kvantekommunikation kun fungerer over punkt-til-punkt forbindelser på omkring 100 kilometer. Så forskere arbejder også på kvante-routere, der kan sende signalerne meget længere. Om 6 år vil vi sandsynligvis se [kvantekommunikationssystemer] i test-bed-netværk, der demonstrerer lange afstande via betroede noder, højhøjdeplatformssystemer eller satellitter, såvel som multi-node eller omskiftelige intra-city-netværk, som alle vil kræve, at store infrastrukturprojekter igangsættes, hedder det i rapporten.

Det næste område er kvanteberegning, som bruger kvanteprocesser til at generere en imponerende databehandlingsydelse. Dette har været muligt på skalaen af ​​blot nogle få kvantebits eller qubits i nogle år. Udfordringen i dag er at skalere kvantecomputere til 100 qubits eller mere.

Dette kørekort skitserer fem potentielle måder at gøre dette på, ved at bruge systemer, der lagrer og behandler kvanteinformation på forskellige måder. Disse omfatter lagring af informationen i ioner fanget i et magnetfelt eller i atomkerner indlejret i silicium eller kulstof, i strømmen af ​​strøm gennem små superledende kredsløb eller i fotoner, der rejser gennem fotoniske kredsløb.

Kommissionen forventer klart kvantebehandling i stor skala ved brug af en eller flere af disse teknologier inden for fem til 10 år. Hvorvidt dette vil blive gjort i Europa først, er meget mindre klart.

Kvantesimulering er det tredje investeringsområde. Simulering af komplekse kvanteegenskaber på en almindelig computer er tæt på umuligt. Men kvantesystemer kan fås til at simulere aspekter af andre kvantesystemer mere eller mindre perfekt.

Fysikere leger med forskellige måder at gøre dette på. Den grundlæggende idé er at finde et kvantesystem, der er godt forstået og let at manipulere og måle, og derefter bruge det til at simulere et system, der er svært at manipulere og måle.

De velforståede systemer omfatter ultrakolde atomer og molekyler, ioner fanget i magnetiske felter og superledende kredsløb. De mere komplekse systemer, som fysikere ønsker at forstå, forekommer i højenergifysik, i kosmologi, i statistisk fysik og endda i biologi, hvor kvanteprocesser synes at spille en rolle i energioverførsel. Løftet er, at kvantesimulering kan give indsigt i alle disse områder.

Men der er betydelige udfordringer. Disse omfatter at finde interessante systemer, der kan simuleres med eksisterende teknikker og designe et passende eksperiment til at gøre dette. Oven i dette skal fysikere finde måder at være sikre på, at systemet har udført simuleringen korrekt.

Hvor meget af dette vil være muligt inden for de næste 10 år er endnu ikke klart.

Det fjerde interesseområde er kvantesansning og metrologi. Tanken her er, at hvis vi vil udnytte kvanteverdenen, skal vi være i stand til at måle og fornemme den. Det betyder, at man skal måle universet på skalaen af ​​atomer og fotoner over passende korte tidsskalaer.

Fysikere har en bred vifte af værktøjer til at gøre dette, men de skal alle forbedres. Så kvanteure skal gøres mere præcise, atomsensorer skal gøres mere følsomme, og optomekaniske sensorer skal gøres mere kapable.

Køreplanen afsluttes med en diskussion af to nye interesseområder. Den første er kvantekontrol: evnen til at manipulere kvantesystemer ved hjælp af eksterne elektromagnetiske felter eller kræfter. Målet med kvanteoptimal kontrol er at udtænke og implementere former for impulser af eksterne felter eller sekvenser af sådanne impulser, der når en given opgave i et kvantesystem på den bedst mulige måde, hedder det.

Det drejer sig med andre ord om nudging af kvantesystemer med radiobølger og laserstråler for at få dem til at opføre sig på bestemte måder. Forventningen er, at denne form for præcis styring af kvantesystemer blandt andet vil muliggøre storskala kvanteberegning og simulering.

Det andet af disse nye områder er udviklingen af ​​kvantesoftware, som er meget sværere at udvikle end almindelig software, fordi qubits kan eksistere som både 0 s og en s på samme tid. Det betyder, at flere qubits kan udføre mange beregninger parallelt, hvilket er grunden til, at kvantecomputere er så enormt kraftfulde.

Men det er svært at udtrække svaret fra disse beregninger. Og det gør kvantealgoritmer enormt skrøbelige.

Potentialet er, at kvantealgoritmer dramatisk kan udkonkurrere klassiske beregninger. Men faktisk er det svært at finde algoritmer, der kan gøre dette. Denne software skal fungere på skalaen af ​​både computere og hele netværk. Fremskridt på dette område kan være en måde for Europa at springe over konkurrenter, som har en fordel inden for hardwareudvikling.

Et af de mest spændende problemer er at udvikle en teori om kvanteinformation. Den klassiske teori om information, udviklet i 1940'erne og 50'erne af matematikeren og ingeniøren Claude Shannon, er blevet grundlaget for moderne databehandling og kommunikation. En tilsvarende kraftfuld teori for kvanteinformation undgår teoretikere, men at udvikle en teori er et vigtigt mål i Europa. Meget vil afhænge af resultatet.

Hvis denne køreplan er et præcist resumé af Europas tilgang til udviklingen af ​​kvanteteknologier, vil dets globale rivaler næppe ryste i deres støvler. Planen mangler for det meste ambitioner i forhold til at arbejde andre steder. Kina har for eksempel allerede en satellit i kredsløb, der er i stand til kvantekommunikation med jorden, og dette er kvantesamfundets misundelse over hele verden.

Undtagelserne er inden for områderne kvantekontrol og kvantesoftware. Disse muliggør teknologier med brede anvendelsesmuligheder i kvanteverdenen og kan udgøre et vigtigt springbræt for Europa.

En stor ukendt er industriens rolle i fremtiden for kvanteteknologier. Europa er desperat efter at samarbejde med virksomheder som Google, IBM og Microsoft, som alle udvikler deres egne kvanteteknologier. Men meget af dette arbejde er indtil videre blevet udført i USA. At ændre dette fokus skal være en prioritet, hvis Europa skal opnå passende belønninger fra sin milliardinvestering.

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

skjule