Japansk kvantegjennombrudd kan revolusjonere KI – og endre verden slik vi kjenner den

Japanske forskere har tatt et viktig skritt mot en ny generasjon kvantedatamaskiner. For første gang har de klart å styre fem kvantebiter samtidig i en silisiumbrikke med rundt 99,9 prosent presisjon. På lengre sikt kan kombinasjonen av kvantedatamaskiner og kunstig intelligens gi gjennombrudd innen kreftmedisin, batteriteknologi, energiproduksjon og utvikling av nye materialer.

Vitenskap og teknologi: Kunstig intelligens har allerede begynt å forandre arbeidslivet, forskningen og måten vi bruker datamaskiner på. Men en langt større teknologisk omveltning kan ligge foran oss.

Forskere ved det japanske forskningsinstituttet RIKEN har nå løst deler av et problem som i årevis har bremset utviklingen av kraftige kvantedatamaskiner.

Resultatene er publisert i det anerkjente vitenskapelige tidsskriftet Nature Physics og ble omtalt av ScienceDaily søndag 25. oktober.

Gjennombruddet handler om å kontrollere flere kvantebiter samtidig uten at de forstyrrer hverandre og skaper feil i beregningene.

Det kan høres ut som en liten teknisk forbedring. Men det er nettopp slike problemer forskerne må løse før kvantedatamaskiner kan bli virkelig nyttige.

99,9 prosent presisjon med fem kvantebiter

Vanlige datamaskiner behandler informasjon ved hjelp av biter som representerer enten null eller én.

Kvantedatamaskiner bruker derimot kvantebiter, eller qubits, som kan utnytte fysiske fenomener som superposisjon og sammenfiltring.

Det gjør det mulig å utvikle helt andre beregningsmetoder enn dem dagens datamaskiner bruker.

Problemet er at kvantebiter er ekstremt følsomme for forstyrrelser.

Når mange kvantebiter arbeider samtidig, kan signalene som styrer én kvantebit påvirke de andre. Resultatet blir feil som gjør beregningene mindre pålitelige.

Forskerne ved RIKEN utviklet en metode som korrigerer slike forstyrrelser.

Da de testet fem kvantebiter i en silisiumbrikke, klarte de å opprettholde en presisjon på omtrent 99,9 prosent under samtidig styring.

Med tre kvantebiter samtidig oversteg presisjonen 99,99 prosent.

Resultatene måler nøyaktigheten til bestemte grunnleggende kvanteoperasjoner, ikke sannsynligheten for at en hel kvantedatamaskin løser en komplisert oppgave riktig.

Kan bygges med teknologi fra dagens databrikker

En annen viktig fordel er at forskerne bruker silisium.

Det er det samme grunnmaterialet som brukes i de fleste av dagens mikroprosessorer.

Dermed kan fremtidige kvantedatamaskiner kanskje dra nytte av deler av den enorme industrien som allerede produserer databrikker.

Forskerne brukte dessuten én felles mikrobølgeledning for å styre fem kvantebiter.

Dersom metoden kan videreutvikles, kan den bidra til å redusere mengden komplisert elektronikk som trengs for å kontrollere langt større kvanteprosessorer.

Hva skjer når kvantedatamaskiner kobles sammen med KI?

Det er her de virkelig spennende mulighetene begynner.

Kunstig intelligens er svært god til å finne mønstre i enorme datamengder, utvikle modeller og foreslå løsninger.

Kvantedatamaskiner kan på sin side bli spesielt kraftige til å simulere enkelte fysiske og kjemiske systemer som er svært vanskelige å beregne med vanlige datamaskiner.

En fremtidig kombinasjon kan derfor bli at KI foreslår nye molekyler, materialer eller tekniske løsninger, mens kvantedatamaskiner utfører spesialiserte beregninger for å undersøke hvordan de oppfører seg.

Resultatene kan deretter brukes til å forbedre KI-modellene og velge hvilke løsninger som bør testes videre.

Dette er et fremtidsscenario. Det er foreløpig ikke bevist at kvantedatamaskiner vil gjøre vanlig KI-trening eller alle typer databehandling raskere.

1. Nye medisiner mot kreft og alvorlige sykdommer

En av de mest lovende mulighetene er utvikling av legemidler.

I dag bruker forskere ofte mange år på å finne molekyler som kan påvirke bestemte prosesser i kroppen.

KI kan allerede bidra til å identifisere lovende legemiddelkandidater og analysere biologiske data.

Men det kan være svært krevende å beregne nøyaktig hvordan elektronene i kompliserte molekyler oppfører seg.

Her kan fremtidige kvantedatamaskiner få en viktig rolle.

De kan potensielt simulere kjemiske reaksjoner mer presist og hjelpe forskere med å forstå hvordan nye molekyler binder seg til biologiske mål.

Kombinert med KI kan dette bidra til raskere utvikling av legemidler mot blant annet kreft, infeksjonssykdommer og andre alvorlige lidelser.

Det betyr ikke at kvantedatamaskiner automatisk vil kunne kurere kreft. Kliniske studier, sikkerhetstesting og omfattende laboratorieforskning vil fortsatt være nødvendig.

2. Batterier som varer lenger og lades raskere

Et annet mulig bruksområde er fremtidens batterier.

For å utvikle bedre batterier må forskerne forstå svært kompliserte kjemiske prosesser inne i materialene.

KI kan analysere tusenvis av mulige kombinasjoner og foreslå nye materialer.

Kvantedatamaskiner kan på lengre sikt brukes til å undersøke noen av de kjemiske egenskapene til de mest interessante kandidatene.

Dette kan bidra til utviklingen av batterier med høyere energitetthet, lengre levetid eller mindre behov for kostbare råmaterialer.

For Norge kan slike fremskritt få betydning for både elektrisk transport, energilagring og batteriindustrien.

3. Billigere energi og nye industriprosesser

Mange industrielle prosesser krever svært høye temperaturer, stort energiforbruk eller kostbare kjemiske stoffer.

Ved hjelp av KI og kvanteberegninger kan forskere kanskje utvikle bedre katalysatorer som gjør bestemte kjemiske reaksjoner mer effektive.

Et eksempel er produksjon av ammoniakk, som blant annet brukes i kunstgjødsel.

Andre mulige anvendelser er utvikling av nye materialer til hydrogenproduksjon, karbonfangst og energiteknologi.

For norsk prosessindustri kan selv relativt små forbedringer i energieffektivitet få stor økonomisk betydning.

4. Kan få betydning for industrien på Vestlandet

Også industrimiljøene på Haugalandet og i Sunnhordland kan på lang sikt få nytte av utviklingen.

Regionen har betydelig virksomhet innen aluminiumsproduksjon, offshore, energi, maritim industri og avansert teknisk produksjon.

En kombinasjon av KI og kvanteberegninger kan i fremtiden bidra til utvikling av nye legeringer, bedre kjemiske prosesser og materialer med spesielle egenskaper.

KI vil fortsatt kunne brukes til å analysere produksjonsdata, forutsi vedlikeholdsbehov og optimalisere industrielle prosesser med vanlige datamaskiner.

Kvantedatamaskiner kan eventuelt bli et spesialisert tillegg der dagens beregningsmetoder ikke strekker til.

Dette er mulige anvendelser, ikke dokumenterte resultater fra den japanske studien.

5. Nye utfordringer for digital sikkerhet

Teknologien kan også få en langt mindre hyggelig konsekvens.

Store, feilrettede kvantedatamaskiner vil kunne true flere av krypteringsmetodene som i dag beskytter nettbanker, offentlige datasystemer og sensitiv kommunikasjon.

Det skyldes at enkelte matematiske problemer som er svært vanskelige for vanlige datamaskiner, kan løses langt mer effektivt med bestemte kvantealgoritmer.

Derfor arbeides det allerede internasjonalt med kvantesikker kryptering.

Den japanske femkvantebit-brikken er ikke i nærheten av å kunne bryte moderne internettsikkerhet. Men utviklingen understreker hvorfor virksomheter må forberede seg på fremtidens krypteringsbehov.

Kan KI selv bli mye smartere?

Et av de store spørsmålene er om kvantedatamaskiner også kan gjøre fremtidens kunstige intelligens langt kraftigere.

Forskere undersøker blant annet kvantealgoritmer for maskinlæring og spesialiserte beregninger.

Det er mulig at slike metoder kan gi fordeler innen enkelte avgrensede oppgaver.

Men dagens store språkmodeller bygger på enorme mengder klassiske beregninger, og det finnes foreløpig ingen dokumentasjon på at kvantedatamaskiner generelt vil kunne trene slike modeller raskere eller billigere.

Den mest realistiske utviklingen kan derfor bli hybride systemer, der vanlige datamaskiner, KI-modeller og kvanteprosessorer utfører forskjellige deler av arbeidet.

Hvor langt unna er den nye datarevolusjonen?

Til tross for det japanske gjennombruddet er det fortsatt store teknologiske utfordringer.

RIKEN har demonstrert kontroll over fem kvantebiter.

Praktiske, feilrettede kvantedatamaskiner for krevende industrielle beregninger vil trenge langt større systemer, mer avansert feilretting og pålitelig styring av mange ulike operasjoner.

Forskerne må blant annet forbedre operasjoner mellom kvantebiter, målinger og stabiliteten over tid.

Det er derfor ikke mulig å sette en sikker dato for når teknologien vil få et stort kommersielt gjennombrudd.

En liten brikke kan bli starten på noe stort

Gjennombruddet ved RIKEN viser at forskerne nå kan styre flere silisiumbaserte kvantebiter samtidig med svært høy presisjon.

Det løser ikke alle utfordringene med kvantedatamaskiner, men fjerner deler av en viktig teknisk hindring.

Dersom utviklingen fortsetter, kan slike systemer etter hvert bidra til forskning og industri på måter som er vanskelige å forestille seg i dag.

Og i kombinasjon med kunstig intelligens kan de gi forskerne nye verktøy til å utvikle medisiner, oppdage materialer og løse noen av de mest krevende beregningsproblemene vi kjenner.

Den neste store datarevolusjonen kan dermed komme fra samspillet mellom to teknologier: kunstig intelligens som finner mulighetene, og kvantedatamaskiner som hjelper oss med å forstå dem.