Kommer kvantdatorer snart bryta internetsekretess?
Kvantdatorer är en ny beräkningsmetod som använder principer från fundamental fysik för att lösa extremt komplexa problem mycket snabbt.
En av de mest lovande tillämpningarna av kvantdatorer är att simulera materiens beteende ner till molekylär nivå.
En kvantdator utnyttjar några av de nästan mystiska fenomenen i kvantmekanik för att uppnå enorma förbättringar i beräkningskraft. Kvantdatorer lovar att överträffa även de mest kraftfulla superdatorerna vi har idag – och kommer att ha imorgon.
Bara kvantdatorer – endast ett av tre huvudområden inom den framväxande kvantteknologin – kan vara värt nästan 1,3 biljoner dollar år 2035.
De kommer dock inte att ersätta vanliga datorer. En klassisk dator kommer fortfarande att vara den enklaste och mest ekonomiska lösningen för de flesta problem. Men kvantdatorer lovar spännande framsteg inom olika områden, från materialvetenskap till läkemedelsforskning. Företag experimenterar redan med dem för att till exempel utveckla lättare och effektivare batterier för elbilar och för att utveckla nya läkemedel
Maskinerna är utmärkta för optimeringsproblem eftersom de extremt snabbt kan gå igenom ett stort antal möjliga lösningar. Till exempel använder Airbus dem för att beräkna de most fuel-efficient climb and descent paths for aircraft. Och Volkswagen har introducerat en tjänst som beräknar de optimala rutterna för bussar och taxibilar i städer för att minimera trafikstockningar.
Vissa forskare tror också att maskinerna kan användas för att påskynda artificiell intelligens. Men det diskuteras mycket i forskarvärlden hur betydelsefullt det skulle vara att uppnå denna milstolpe.
Låt mig försöka förklara det så enkelt som möjligt för dig
På 1990-talet insåg forskare att kvantdatorer kunde använda fysikens särdrag för att lösa uppgifter som verkar oöverkomliga för “klassiska” datorer. Peter Shor, en matematiker som arbetar idag på Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, visade 1994 hur man kunde tillämpa fenomenen av kvantsuperposition – som beskriver förmågan hos atombaserade objekt att existera i en kombination av flera tillstånd samtidigt – och kvantinterferens, som är analogt med hur vågor på en damm kan addera eller släcka ut varandra, på faktorisering av hela tal i primtal, det vill säga de hela tal som inte kan delas ytterligare utan rest.
Hemligheten bakom en kvantdators kraft ligger i dess förmåga att skapa och manipulera kvantbitar (qubits).
Klassisk databehandling, teknologin som driver din bärbara dator och smartphone, bygger på bitar. En bit är en informationsenhet som kan lagra antingen en nolla eller en etta.
Allt från dina tweets och e-postmeddelanden till dina iTunes-låtar och YouTube-videor består i grunden av en lång rad av dessa binära siffror.
I motsats härtill bygger kvantdatorer på kvantbitar (qubits) som kan lagra nollor och ettor. Qubits kan representera vilken kombination av noll och ett som helst samtidigt – detta kallas superposition.
Kvantdatorer består normalt av subatomära partiklar som elektroner eller fotoner. Att skapa och hantera qubits är en vetenskaplig och teknisk utmaning. Vissa företag som IBM, Google och Rigetti Computing använder supraledande kretsar som kyls till temperaturer kallare än rymden. Andra, som IonQ, fångar enskilda atomer i elektromagnetiska fält på ett kiselchip i ultravakuumkammare.
I båda fallen är målet att isolera qubits i ett kontrollerat kvanttillstånd. Den största tillgängliga kvantmaskinen idag – Osprey-chipet, som tillkännagavs av IBM i november – har 433 qubits.
Qubits har vissa märkliga kvantegenskaper som gör att en sammanhängande grupp av qubits kan utföra mycket mer beräkningskraft än samma antal binära bitar. En av dessa egenskaper kallas superposition och en annan kallas sammanflätning.
Det kan ta några år tills kvantdatorer når sin fulla potential. Universitet och företag som arbetar med dem kämpar med en brist på kvalificerade forskare inom detta område – och med en brist på leverantörer för vissa nyckelkomponenter. Men om dessa exotiska nya beräkningsmaskiner håller vad de lovar, kan de förändra hela branscher och driva global innovation framåt.
PRVCY-problemet
Som vanligt med teknik har denna utveckling också en politisk sida. De flesta höginkomstländer har börjat investera i kvantdatorteknik, antingen oberoende eller genom offentliga-privata partnerskap. Även många medelinkomstländer har startat pilotprogram för kvantdatorer.
Och som vanligt i teknologiska tävlingar finns två huvudsakliga krafter i spel.
Förenta staterna
I USA arbetar regeringen med militär kvantteknologi och har förra året infört riktlinjer för cybersäkerhet efter kvant i lagstiftningen.
Lagen består av två huvuddelar. Den första säger att Office of Management and Budget (OMB) ska övergå till post-kvant
post-kvantkryptografi inom ett år efter att de nya riktlinjerna publiceras av NIST. Det innebär att OMB senast den 5 juli 2023 måste börja implementera NIST-certifierade kryptografiska algoritmer för att skydda IT-systemen inom verkställande grenen.
I den andra delen måste OMB lämna en rapport till kongressen där de beskriver sin övergångsstrategi och ansöker om medel för övergången till kvantsäkra system senast den 21 december 2023. Lagförslaget föreskriver också att myndigheten fram till detta datum måste redogöra för sina insatser för att samordna med internationella standardiseringsorganisationer och andra konsortier.
Kina
På andra sidan har ett forskarteam i Kina nyligen presenterat en teknik som teoretiskt kan knäcka de vanligaste metoderna för att skydda digital integritet med hjälp av en rudimentär kvantdator.
Jag kallar detta det kinesiska angreppet, och för att förklara varför detta uttalande är politiskt måste jag bli teknisk:
När klassiska datorer löser ett problem med flera variabler måste de göra en ny beräkning varje gång en variabel ändras. Varje beräkning är en enda väg till ett enda resultat. Kvantdatorer har dock en större arbetsyta, vilket innebär att de kan undersöka ett stort antal vägar samtidigt. Denna möjlighet innebär att kvantdatorer kan vara mycket, mycket snabbare än klassiska datorer.
Tekniken som användes för kineserna fungerade i en liten demonstration, rapporterar forskarna, men andra experter är skeptiska till om metoden kunde skalas upp så att den slår vanliga datorer i denna uppgift. Ändå är det en påminnelse om online-privatlivets sårbarhet.
Shors algoritm skulle göra en kvantdator exponentiellt snabbare än en klassisk dator när det gäller att knäcka ett krypteringssystem som bygger på stora primtal – Rivest-Shamir-Adleman eller RSA, efter initialerna på dess uppfinnare – samt några andra populära kryptografitekniker som för närvarande skyddar privatliv och säkerhet på internet.
Forskare säger att det kan krävas en miljon eller fler qubits för att knäcka RSA
Shijie Wei vid Pekings akademi för kvantinformation och hans kollegor tog en annan väg för att knäcka RSA. De förlitar sig inte på Shors algoritm utan på Schnorr-algoritmen – en metod för att faktorisera heltal som matematikern Claus Schnorr vid Goethe-Universitetet i Frankfurt utvecklade under 1990-talet. Schnorrs algoritm var utvecklad för klassiska datorer, men Weis team implementerade en del av processen på en kvantdator med hjälp av en metod som kallas QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm).
I det ännu icke granskat arbetet påstår författarna att deras algoritm kan knäcka starka RSA-nycklar – tal med mer än 600 decimaler – med endast 372 qubits. I ett e-postmeddelande till Nature varnar Guilu Long, fysiker vid Tsinghuauniversitetet i Kina, på samtliga författares vägnar, att det inte räcker med många qubits och att nuvarande kvantdatorer fortfarande är för felbenägna för att lyckas med en sådan stor beräkning. “Det hjälper inte att bara öka antalet qubits utan att minska felfrekvensen.
Chao-Yang Lu, en fysiker som bygger kvantdatorer vid Kinas vetenskaps- och teknologiuniversitet i Hefei, och som inte var involverad i projektet, säger att för att köra QAOA-algoritmen på en så liten maskin kräver det att varje av de 372 qubits fungerar felfritt 99,9999 % av tiden. Moderna qubits når en noggrannhet på endast 99,9 %.
Problemet är att ingen vet om QAOA gör beräkningen av stora tal snabbare än att köra Schnorrs klassiska algoritm på en laptop. “Det bör noteras att algoritmens kvanta påskyndning är oklar”, skriver författarna.
Med andra ord, även om Shors algoritm garanterat effektivt knäcker kryptering, om en tillräckligt stor kvantdator fanns tillgänglig, kunde den optimeringsbaserade tekniken köras på en mycket mindre maskin, men den kanske aldrig fullgör uppgiften.
Även om den Schnorr-baserade tekniken inte kommer att knäcka internet, kan kvantdatorer så småningom göra det genom att köra Shors algoritm. Därför har Kina meddelat att de arbetar med att knäcka datorkrypteringar, och USA har annonserat sin Post-Quantum Cybersecurity Law.
Alla länder med en BNP på över 1 biljon dollar har startat nationella kvantinitiativ. Till denna kategori hör Kina, Japan, Indien, Kanada och USA, som investerar mest medel i kvantforskning. Men även Tyskland, Storbritannien, Frankrike, Ryssland, Italien, Brasilien, Australien, Sydkorea, Spanien, Saudiarabien och Nederländerna hör dit (i ordning efter BNP). Brasilien och Spanien startade sina nationella kvantinitiativ under det senaste året.
I de flesta av dessa länder finns det också en dynamisk kommersiell sektor som sysslar med kvantforskning. Antalet privata kvantdatorföretag är relativt stort i många av dessa länder jämfört med andra länder. I USA finns det 350+, i Storbritannien 100+, i Tyskland 100+, i Kanada 80+, i Frankrike 75+, i Kina 35+, i Japan 35+, i Nederländerna 35+, i Indien 20+ och i Spanien 15+.
Detta betyder att tävlingen om de bästa resultaten och rädslan för de andra länderna har börjat. Mot denna bakgrund har säkerhetsforskare utvecklat en rad alternativa kryptografiska system som anses vara mindre sårbara för kvantangrepp och kallas Post-Quantum eller Quantum-Safe. Men kanske kommer forskare i framtiden också att upptäcka bättre kvantalgoritmer som kan slå dessa system.
