Förståelsen för kvantteori har banat väg för teknologier som laser och halvledare. Nu är vi inne i den andra kvantrevolutionen, där kvantberäkningar kan bli viktiga för att lösa problem i Försvarsmakten. Två FOI-forskare har skrivit en introduktion till området.

Kvantteori studerar universums allra minsta beståndsdelar, där fysikens vanliga lagar inte gäller. Exempelvis kan partiklar existera i flera tillstånd samtidigt och påverka varandra oavsett avstånd. Utvecklingen av och förståelsen för kvantteori har lett till teknologier som laser, halvledare och transistorer, i vad som brukar kallas den första kvantrevolutionen.

I ett par decennier har vi befunnit oss i den andra kvantrevolutionen, där man inte bara förstår hur kvantvärlden fungerar utan också kan designa system där kvanteffekter utnyttjas som resurser – till exempel i kvantdatorer.

– Att gå från den första revolutionen till den andra är som att gå från tanke till handling, säger Charlotta Bengtson, förste forskare på FOI:s avdelning Vapen, skydd och säkerhet.

Hon och Johan Nilsson, förste forskare på avdelningen Försvarsteknik, har tillsammans skrivit rapporten Kvantberäkningar för optimeringsproblem: En introduktion med fokus på försvarstillämpningar. Rapporten är skriven på uppdrag av Försvarsdepartementet.

Fungerar enligt andra principer

Den minsta enheten för digital information i en vanlig dator kallas för bit, en förkortning av engelskans binary digit, det vill säga binär siffra. Biten kan anta ett av två värden, vilket brukar representeras av noll eller ett.

Kvantdatorer använder sig istället av så kallade kvantbitar för att göra beräkningar. Genom principen superposition kan en kvantbit existera i båda värdena samtidigt. En kvantdator kan därför processa flera möjligheter parallellt, till skillnad från klassiska datorer.

Att på ett rättvisande sätt förklara hur en kvantdator fungerar är svårt, enligt forskarna.

– Kvantteori har problemet att det inte finns någon klassisk analogi som riktigt fångar essensen. Vi kan inte förstå kvantfenomen med vår intuition utan måste använda matematikens språk för att beskriva kvanteffekter, säger Charlotta Bengtson.

Men den stora och grundläggande skillnaden mellan en vanlig dator och en kvantdator är principen om interferens, menar hon. Kvantinterferens handlar om att kvantbitar, när de existerar i en superposition, agerar som vågor som kan påverka varandra. Vågorna kan förstärka eller släcka ut varandra. Kvantdatorer utnyttjar interferensen för att bland annat öka effektiviteten i beräkningar.

Tyvärr avtar interferensen vanligtvis väldigt snabbt i ett kvantsystem som inte hålls isolerat och nerkylt. Det är en av anledningarna till att det är så tekniskt utmanande att bygga en kvantdator.

Skulle kunna lösa logistikproblem i försvaret

Kvantdatorer finns redan idag. Den nuvarande generationen kallas NISQ-datorer, Noisy Intermediate-Scale Quantum. De har flera brister, som att de saknar fullständig felkorrigering.

– De gör ofta fel och då är det begränsat vad man kan göra med dem. Det är där utvecklingen sker mycket nu. Man försöker introducera felkorrigeringsalgoritmer för att få färre fel och kunna göra mer komplicerade beräkningar, säger Johan Nilsson.

I rapporten går forskarna igenom hur kvantalgoritmer kan användas för att lösa optimeringsproblem. Det kan exempelvis handla om att räkna ut den mest effektiva rutten.

– Optimeringsproblem förekommer mycket i försvarsberäkningar och när det gäller resursallokering och logistikproblem. Det är en bred klass av problem, och har samtidigt pekats ut som en klass av problem som dagens kvantdatorer kanske kan vara effektiva för, säger Charlotta Bengtson.

I Försvarsmakten kan kvantberäkningar ge snabbare lösningar på tidskritiska problem. Charlotta Bengtson jämför med flygbranschen.

– De har tittat på kvantberäkningar för schemaläggning av flighter. För dem är det bättre att ha en nästan optimal lösning snabbt än att ha den ”perfekta lösningen”, om väntan på denna innebär att flygplanen står på marken under tiden och då inte genererar intäkter, säger Charlotta Bengtson.

Ingen superdator

Klassiska datorer utvecklas parallellt med kvantdatorer, påpekar hon och Johan Nilsson. Mycket tyder på att det framöver kommer vara klassiska datorer i kombination med AI och kvantdatorer som är den bästa lösningen för att hitta svar på optimeringsproblem.

Andra generationens kvantteknologier har också potential att utveckla teknologier som redan används i försvaret, som sensorer.

Det är ganska nyligen som FOI börjat studera kvantteknologi.

– Vi finns tillgängliga för diskussioner, frågor och förslag. Jag sitter med i flera Natogrupper och där ser vi att det absolut svåraste är att få till länken mellan forskarna och användarna, att få en gemensam förståelse för vilka problem som kan gå att lösa med kvantberäkningar, säger Charlotta Bengtson.

Ibland låter det som att kvantdatorn är nästa superdator, tycker hon.

– Men det är mycket jobb att omformulera och strukturera om problem så det passar en kvantdator, om det alls går att göra det. För många problem är det fortfarande bättre att använda klassiska metoder.