Kvantedatabehandling: Fordelene ved å være kvanteklar

Den 13 år gamle datteren til en venn som besøkte arbeidsplassen min – IBM Research lab i Zürich – virket forvirret. Hun visste at jeg jobbet i et forskningslaboratorium og jeg som jobber med datamaskiner, men datamaskinene hun kjenner ligner vanligvis ikke på den lysekrone-lignende strukturen som hang fra taket foran oss.

Likevel er det en datamaskin – en kvantedatamaskin. Og mens noen i begynnelsen av tenårene akkurat nå kan bli unnskyldt for ikke å vite hva en kvantedatamaskin er, vil jeg veldig gjerne at det skal endres.

Kvantedatabehandlingsteknologi modnes raskt og vi er på randen av en teknologisk revolusjon. Kvantedatamaskiner arbeider med qubits i stedet for de mye mer kjente binære sifrene, eller bitene. Og mens bitene i vår nåværende elektronikk bare kan ha verdien av enten 0 eller 1, kan en qubit være begge deler samtidig.

Takket være blant annet denne egenskapen kan kvantedatamaskiner utføre raskere og mer presise beregninger enn klassiske datamaskiner. Dette betyr at de bør være spesielt godt egnet til oppgaver som er avhengige av sannsynligheter og optimalisering, for eksempel å lage et nytt komplekst molekyl for å utvikle et materiale med spesifikke egenskaper. Det kan være et mylder av forskjellige arrangementer av atomer for å danne et molekyl, og det er utrolig vanskelig å finne det riktige. En kvantedatamaskin kan raskt sile gjennom alle mulighetene for å nullstille de mest sannsynlige kandidatene.

Evnen til å lage bemerkelsesverdig raske og nøyaktige molekylære simuleringer gjør kvantedatamaskiner til et avgjørende nestegenerasjonsverktøy for å akselerere oppdagelsen av nye materialer – alt fra nye medikamenter til solcellepaneler til polymerer. Faktisk burde disse maskinene innen få år kunne oppnå den såkalte «kvantefordelen», det vil si bli bedre enn tradisjonelle datamaskiner til en spesifikk, praktisk oppgave.

Men spørsmålet er, når de når denne viktige terskelen, vil verden være klar for disse maskinene? Vil bedrifter vite hvordan en kvantedatamaskin kan hjelpe dem? Vil universitetsutdannede i informatikk kunne lage en kvantealgoritme? Og vil den nødvendige infrastrukturen eksistere for å støtte hundrevis, eller til og med tusenvis, av disse nye maskinene?

Hvis vi skulle nå en kvantefordel om noen år, ville svaret på alle disse spørsmålene være “nei”. Vi er fortsatt bare ved begynnelsen av vår kvantereise. Når hele verden begynner å stole på disse maskinene, trenger folk ikke å kunne kvanteprogrammering i det hele tatt. De vil ganske enkelt velge riktig algoritme fra et kvanteappbibliotek, og det vil fungere sin kvantemagi i bakgrunnen.

Men det er fremtiden. For å komme dit, må vi gjøre verden kvanteklar i dag ved å fokusere på utdanning og arbeidsstyrkeutvikling.

Barn i dag bør lære om kvantedatamaskiner som en del av videregående utdanning. Før de velger karriereveier, bør unge mennesker lære hva denne nye teknologien vil være i stand til å gjøre på tvers av bransjer, inkludert materialfunn, medikamentutvikling, finans, romutforskning og til og med produksjon av den neste smarttelefonen.

Utover videregående bør kvantedatabehandling være mye mer mangfoldig enn det er i dag. For å sikre at vi har trent nok talent til å lage nye kvantealgoritmer og for å fortsette å forbedre programvaren og maskinvaren, må vi tilby kvantedatabehandlingskurs til et mye bredere spekter av studenter og til de som tar lærlingeplasser og andre kortere grader og sertifikater. Vi må også oppmuntre bedrifter og organisasjoner i dag til å begynne å gjøre flere ansatte kvanteklare.

Det er allerede tidlig innsats for både å utdanne studenter og den eksisterende arbeidsstyrken, men det bør være flere. Globalt er det ikke mange universiteter som tilbyr kvanteprogrammeringskurs, for eksempel. Dette utdanningsgapet kan alvorlig påvirke utviklingen av en kvanteklar arbeidsstyrke.

Den amerikanske regjeringen har lansert et initiativ for å få videregående elever interessert i kvanteinformasjonsvitenskap og kvantedatabehandling. Dubbet til Nasjonalt Q-12 utdanningspartnerskap, forener innsatsen 15 kvantedrivende ledere i industri og akademia. Initiativet er støttet av Det hvite hus Office of Science and Technology Policy og National Science Foundation (NSF). Sistnevnte har allerede lovet nesten 1 million dollar for ulike utdanningsinnsatser i kvanteinformasjonsvitenskap (QIS), inkludert Q2Work-program for å få QIS-ressurser inn i klasserommene.

Selv om det bare er et lite antall fysiske kvantedatamaskiner i verden – inkludert IBM-systemer i Tokyo og Tyskland, og snart i Canada og på Cleveland Clinic i USA – de er alle tilgjengelige gjennom skyen. Dette betyr at alle fra akademia eller industri, hvor som helst i verden, kan få tilgang til en kvantedatamaskin for å lære det grunnleggende om kvanteprogrammering.

Hos IBM er det for eksempel flere kvantefokuserte utdanningsprogrammer som inkluderer tilgang til kvantedatamaskiner, undervisningsstøtte, sommerskoler og hackathons. Dette inkluderer QiskitQubit av Qubit’s Introduksjon til kvanteberegning i samarbeid med The Coding School, og Kvantelærere program, som gir skolelærere og elever tilgang til IBMs kvantesystemer gjennom skyen.

Slik innsats er viktig. Skoler og universiteter over hele verden må takle kvanteutdanningsgapet sammen, og sette neste generasjon talenter på et kvantekurs fra tenårene.

Når det gjelder å utdanne voksne, er det bare en håndfull bedrifter som for tiden investerer i å utvikle en forståelse av kvanteteknologier. Tatt i betraktning at kvantedatamaskiner kan gi bedrifter et forsprang, bør mange flere følge etter – det være seg en farmagigant som leter etter nye medisiner eller et fornybar energiselskap som prøver å lage mer effektive materialer for solcellepaneler.

Det er mange muligheter der kvantedatamaskiner skal kunne hjelpe, spesielt når det gjelder å finne det beste alternativet blant et utall av muligheter – tenk milliarder på milliarder av konfigurasjoner for et nytt molekyl.

Dette er fremtiden, men dagens forskning bør bringe oss dit bemerkelsesverdig snart. For at verden virkelig skal omfavne det fulle potensialet til kvantedatabehandling, må vi fokusere på kvanteutdanning og utvikling av arbeidsstyrken. Og vi må gjøre det nå.