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.

Det var november 1964 och Richard Feynman stod vid en talarstol på Ivy League-universitetet Cornell. Att hörsalen var fullsatt var inte konstigt: Feynmans svit om sju lektioner på temat ”de fysiska lagarnas karaktär” trollband studenterna. Istället för att fylla en tavla med formler fyllde han rummet med skratt. Detta var lektion sex och den handlade om kvantmekanik.

– Det fanns en tid när tidningarna sa att det bara fanns tolv personer som förstod relativitetsteorin och det köper jag inte. Det kan ha funnits en tid när bara en förstod den, av det enkla skälet att han var den enda som begrep den före han skrev sin vetenskapliga artikel...å andra sidan törs jag nog påstå att ingen begriper kvantmekanik, sa Feynman och log.

Året därpå fick Richard Feynman Nobelpriset i fysik. Ytterligare 16 år senare, 1981, höll han ett tal under en konferens arrangerad av MIT och IBM, där han uppmanade 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 1988, 69 år gammal. Om han hade levt till 100 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 600 miljoner kronor. Industrin, Chalmers och universitet som KTH och Lund skjuter till ytterligare medel. Budgeten är sammanlagt nästan en miljard. Omkring 40 forskare ska rekryteras till fyra delområden: kvantdatorer, kvantsimulatorer, kvantkommunikation och kvantsensorer.

Utveckling av kvantdatorer har pågått sedan slutet av 90-talet. För även om Richard Feynman hade inspirerat var det MIT-forskaren Peter Shor (då på Bell Labs) som 1994 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 1998 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 Cornell-föreläsningar 1964 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.

Läs mer:

Läs mer: Superdatorn tar makten från vädret

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 avläsa och förstärka enstaka mikrovågsfotoner, säger Göran Johansson om utmaningen.

Chalmers målsättning är att konstruera en supraledande dator med 100 kvantbitar. Det är ett ambitiöst mål: ju fler kvantbitar som adderas, desto känsligare blir systemet. IBM har byggt en kvantdator med 20 kvantbitar och siktar nu på en med 50. Utvecklingen går för närvarande mycket snabbt framåt. EU är så angelägna om att hänga med i svängarna att de av-satt 1 miljard euro till kvantteknik.

20, 50 eller 100 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 18 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.