Kvantdatorer förväntas vara störande och potentiellt påverka många industrisektorer. Så forskare i Storbritannien och Nederländerna bestämde sig för att utforska två mycket olika kvantproblem:bryta krypteringen av Bitcoin (en digital valuta) och simulera molekylen som är ansvarig för biologisk kvävefixering.

I AVS Quantum Science , beskriver forskarna ett verktyg de skapat för att avgöra hur stor en kvantdator måste vara för att lösa problem som dessa och hur lång tid det kommer att ta.

"Majoriteten av det befintliga arbetet inom detta område fokuserar på en viss hårdvaruplattform, supraledande enheter, som de IBM och Google arbetar mot", säger Mark Webber, vid University of Sussex. "Olika hårdvaruplattformar kommer att variera kraftigt vad gäller nyckelhårdvaruspecifikationer, såsom operationshastigheten och kvaliteten på kontroll av qubits (kvantbitar)."

Många av de mest lovande användningsfallen med kvantfördelar kommer att kräva en felkorrigerad kvantdator. Felkorrigering gör det möjligt att köra längre algoritmer genom att kompensera för inneboende fel inuti kvantdatorn, men det kommer till priset av fler fysiska qubits.

Att dra ut kväve ur luften för att göra ammoniak för konstgödsel är extremt energikrävande, och förbättringar av processen kan påverka både matbristen i världen och klimatkrisen. Simulering av relevanta molekyler är för närvarande bortom förmågan hos ens världens snabbaste superdatorer men bör vara inom räckhåll för nästa generations kvantdatorer.

"Vårt verktyg automatiserar beräkningen av felkorrigeringskostnader som en funktion av viktiga hårdvaruspecifikationer," sa Webber. "För att få kvantalgoritmen att köras snabbare kan vi utföra fler operationer parallellt genom att lägga till fler fysiska qubits. Vi introducerar extra qubits efter behov för att nå önskad körtid, vilket är kritiskt beroende av operationshastigheten på den fysiska hårdvarunivån."

De flesta hårdvaruplattformar för kvantdatorer är begränsade, eftersom endast qubits bredvid varandra kan interagera direkt. I andra plattformar, såsom vissa fångade jondesigner, är qubitarna inte i fasta positioner utan kan istället flyttas runt fysiskt - vilket innebär att varje qubit kan interagera direkt med en bred uppsättning andra qubits.

"Vi undersökte hur man bäst kan dra nytta av denna förmåga att koppla samman avlägsna qubits, med syftet att lösa problem på kortare tid med färre qubits", säger Webber. "Vi måste fortsätta att skräddarsy felkorrigeringsstrategierna för att utnyttja styrkorna hos den underliggande hårdvaran, vilket kan göra det möjligt för oss att lösa mycket effektfulla problem med en kvantdator av mindre storlek än vad som tidigare antagits."

Kvantdatorer är exponentiellt mer kraftfulla på att bryta många krypteringstekniker än klassiska datorer. Världen använder RSA-kryptering för det mesta av sin säkra kommunikation. RSA-kryptering och den som Bitcoin använder (digital signaturalgoritm för elliptisk kurva) kommer en dag att vara sårbara för en kvantberäkningsattack, men idag kan till och med den största superdatorn aldrig utgöra ett allvarligt hot.

Forskarna uppskattade storleken en kvantdator behöver vara för att bryta krypteringen av Bitcoin-nätverket inom det lilla tidsfönster som det faktiskt skulle utgöra ett hot om att göra det – mellan dess tillkännagivande och integration i blockkedjan. Ju högre avgift som betalas för transaktionen, desto kortare blir detta fönster, men det varierar troligen från minuter till timmar.

"State-of-the-art kvantdatorer idag har bara 50-100 qubits", sa Webber. "Vårt uppskattade krav på 30 [miljoner] till 300 miljoner fysiska qubits tyder på att Bitcoin bör anses vara säker från en kvantattack för tillfället, men enheter av denna storlek anses generellt vara möjliga och framtida framsteg kan sänka kraven ytterligare.

"Bitcoinnätverket skulle kunna utföra en "hård gaffel" på en kvantsäker krypteringsteknik, men detta kan resultera i nätverksskalningsproblem på grund av ett ökat minneskrav."

Forskarna betonar förbättringshastigheten för både kvantalgoritmer och felkorrigeringsprotokoll.

"För fyra år sedan uppskattade vi att en enhet med fångade joner skulle behöva en miljard fysiska qubits för att bryta RSA-kryptering, vilket kräver en enhet med en yta på 100 gånger 100 kvadratmeter," sa Webber. "Nu, med förbättringar över hela linjen, kan detta se en dramatisk minskning till en yta på bara 2,5 gånger 2,5 kvadratmeter."

En storskalig felkorrigerad kvantdator bör kunna lösa viktiga problem som klassiska datorer inte kan.

"Simulering av molekyler har tillämpningar för energieffektivitet, batterier, förbättrade katalysatorer, nya material och utveckling av nya mediciner", säger Webber. "Ytterligare applikationer finns över hela linjen – inklusive för ekonomi, big data-analys, flytande flöde för flygplansdesign och logistiska optimeringar."