Sammen med nesten 100 fysikere jakter forsker Morten Kjaergaard på et teknologisk gjennombrudd som ofte sammenlignes med romkappløpet i 1950-årene.
Sammen med nesten 100 fysikere jakter forsker Morten Kjaergaard på et teknologisk gjennombrudd som ofte sammenlignes med romkappløpet i 1950-årene.

Kampen om kvante­­datamaskinen er som et romkappløp

840 meter fra hverandre i København kappes to forskergrupper om å knekke koden til kvantedatamaskinens byggesteiner.

Niels Bohr Institutet i København har vært mye i media i ukene etter at militæralliansen Nato 5. april kunngjorde at de har valgt å legge et nytt kvanteforskningssenter der.

Forsker Morten Kjaergaard har ønsket velkommen inn til Center for Kvanteelektronik, der han og nesten 100 fysikere jakter på et teknologisk gjennombrudd som ofte sammenlignes med romkappløpet i 1950-årene:

Utviklingen av kvantedatamaskinen. Eller nærmere bestemt datamaskinens bitte små byggesteiner – kvantebits. Forbedringen av kvantebits er nøkkelen som ifølge eksperter kan endre verden radikalt.

Derfor kappes alle forskere, bedrifter og investorer om å gjøre framskritt her.

Må holdes iskalde

– De er her inne, sier Kjaergaard og peker på kryostaten – eller kjøleskapet – en stor sylinder som henger ned fra en metallkonstruksjon litt over ham.

Systemet holder minus 273,1 grader – 0,05 grader over det absolutte nullpunktet, samme temperatur som i det ytre rom. Hvis ikke kvantebits holdes iskalde, tar de skade og da regner de feil.

– Kvantebits er egentlig ikke vanskelige å lage. Vi kan lett skaffe oss 100 kvantebits. Trikset er å unngå at de blir påvirket av omgivelsene, men likevel er mulig å jobbe med, forklarer Kjaergaard, som har bygget datamaskiner siden han var en liten gutt.

Morten Kjaergaard foran kryostaten – den dyrebare fryseren med forskergruppens kvantebits, der de er beskyttet mot «støy» fra omgivelsene.
Morten Kjaergaard foran kryostaten – den dyrebare fryseren med forskergruppens kvantebits, der de er beskyttet mot «støy» fra omgivelsene.

Kontorlandskap med ekstra utstyr

I tillegg til de sju tunge kryostatene, som avgir en metallisk, pumpende lyd, ser alt ganske «normalt» ut i det avlange rommet som Kjaergaard forsøker å revolusjonere verden i.

Forskningslaboratoriet er mest av alt et åpent kontorlandskap med hyper-avansert fysikkteknologi: kasseformede måleinstrumenter med bølgende grafer, uendelig mange ledninger som snor seg inn og ut av stålhyller som går helt opp til taket.

Kvantebits er fysikk i en utrolig liten skala. En kvantebit skapes av en kvantefysisk nanopartikkel – som et elektron, et foton eller et atom – som altså kan utnyttes til å lagre informasjon.

Partiklene kapsles inn i litt større – men fortsatt veldig, veldig små – strukturer: en mikrochip som er en tiendedel av bredden til et hårstrå. Dermed kan partiklene holdes under kontroll og brukes som bits.

Spørsmålet er hvilken partikkel som er best egnet til det formålet. Akkurat nå er det rundt åtte kandidater, mener Kjaergaard.

Flere av dem forskes det på ved Niels Bohr Institutet.

Føler en forpliktelse

I en kjeller et steinkast unna går professor og kvantefysiker Peter Lodahl og tumler med de samme problemene.

Han arbeider også for Niels Bohr Instituttet, men i en annen bygning og i et annet forskningssenter.

– Hadde du spurt meg for ti år siden om vi vil få kvantedatamaskiner, hadde jeg nok vært usikker, sier Lodahl og åpner døren til enda et datalaboratorium som ligger i den samme kjelleren der fysikeren og nobelprisvinneren Niels Bohr blant annet utviklet teorien for kvantemekanikk i.

– Jeg ble ikke kvantefysiker for å bygge kvantedatamaskiner. Men nå fungerer teknologien så godt at jeg ser det som en forpliktelse å gjøre et forsøk: For hva om jeg har en av de avgjørende byggeklossene?

Niels Bohr (1885–1962)

Niels Bohr var en dansk fysiker som fikk Nobelprisen i fysikk i 1922 for sine undersøkelser av atomenes bygning. Hans arbeider har vært av fundamental betydning for moderne fysikk.

Kilde: Store norske leksikon

Peter Lodahl forsker på fotoniske kvantebits som er bits basert på lys.
Peter Lodahl forsker på fotoniske kvantebits som er bits basert på lys.

Nesten som en månelanding

Byggeklossene er selvfølgelig kvantebits. Men hvorfor er de så viktige?

Kvantebits er de enhetene som en kvantedatamaskin trenger for å lagre informasjon og løse oppgaver. Alle datamaskiner bruker bits.

De regner gjennom et binært språk som består av en uendelig rekke av 0 og 1:

En vanlig bit lagrer informasjonen 1. En annen 0. Og til sammen utgjør de den binære koden 10.

Men vanlige bits kan bare være enten 0 eller 1. Til forskjell kan kvantebits, som alle andre ting i kvantefysikken, være to steder samtidig. Det betyr at en kvantebit kan være både 0 og 1.

Derfor stiger regneevnen eksponentielt med antallet kvantebits – i motsetning til normale bits, som skalerer lineært. Eksponentiell vekst er en økning i et antall som er proporsjonal med antallet selv.

– Det betyr at man med en kvantedatamaskin på 80 kvantebits kan kode mer informasjon i den enn mennesker noen gang har kodet før, forklarer Peter Lodahl, som leder grunnforskningssenteret Hy-Q.

– Det er det som gjør teknologien så kraftig, fastslår han.

Selv om forskere insisterer på at den nye kvantedatamaskiner er noe helt annet enn vanlige datamaskiner som vi kjenner i dag, er det likevel enklere å forstå den hvis man sammenligner de to.
Selv om forskere insisterer på at den nye kvantedatamaskiner er noe helt annet enn vanlige datamaskiner som vi kjenner i dag, er det likevel enklere å forstå den hvis man sammenligner de to.

Løste regnestykke på tre minutter

Å få en kvantedatamaskin til å regne med over 50 kvantebits er et mål som er kjent som en kvantefordel fordi kvantedatamaskinen da slår vanlige superdatamaskiner.

I 2019 oppnådde Google kvantefordelen med 53 kvantebits. Da løste en kvantedatamaskin et regnestykke på bare tre minutter. Samme oppgave ville tatt verdens største superdatamaskin om lag fire uker å løse.

– Det er nok overdrevet å sammenligne med den første mannen på månen, men det er nesten på det nivået, sa professor i fysikk ved Danmarks Tekniske Universitet, Ulrik Lund Andersen, den gangen.

Her ser du i innmaten i Googles system av en kvantedatamaskin fra 2019. Når datamaskinen er i bruk, pakkes de superledende materialene inn, og alt sammen blir holdt avkjølt, nesten ned til det absolutte nullpunktet.
Her ser du i innmaten i Googles system av en kvantedatamaskin fra 2019. Når datamaskinen er i bruk, pakkes de superledende materialene inn, og alt sammen blir holdt avkjølt, nesten ned til det absolutte nullpunktet.

Kvantebits kan lages av lys

I kjelleren har Peter Lodahl og forskergruppen hans gjennom 20 år forsket på såkalte fotoniske kvantebits – bits basert på lys. Ideen er en direkte utnyttelse av prinsippene fra Niels Bohrs atommodell.

Gjennom Bohrs 100 år gamle atommodell vet vi at når et atom omdannes fra en såkalt eksitert tilstand til en lavereliggende tilstand, så fødes et foton – altså en lyspartikkel. Eksitere er en prosess i fysikk hvor energien til en partikkel eller samling med partikler øker.

– Et atom er forutsetningen for å skape et foton. Det er det prinsippet vi bruker her, forklarer Lodahl foran et mikroskoplignende instrument som har en liten svart chip liggende i midten.

– Magien ligger i chipen, påpeker han.

Her ser vi en av de chipene som Peter Lodahls forskningsgruppe bruker til å utvikle fotoniske kvantebits med.
Her ser vi en av de chipene som Peter Lodahls forskningsgruppe bruker til å utvikle fotoniske kvantebits med.

Fra atom til foton

Inne i chipen har forskerne nemlig integrert et enkelt atom i fast stoff. Det kaller de for et kvantepunkt.

Når forskerne trykker på en knapp, sendes en laser inn på chipen slik at kvantepunktet – det vil si atomet – omdannes og skaper et foton som Lodahl og kollegene hans fanger opp og utnytter som kvantebits.

Hver gang Lodahl trykker på knappen, skapes en fotonisk kvantebit, og de kan faktisk skape veldig mange uten store problemer. Det er styrken bak teknologien.

Chipen med de fotoniske kvantebitenes filmes av et mikroskop slik at forskerne kan følge med på hva som skjer i chipen når de gjennomfører forsøk.
Chipen med de fotoniske kvantebitenes filmes av et mikroskop slik at forskerne kan følge med på hva som skjer i chipen når de gjennomfører forsøk.

Fotoner kan gå tapt

I en vitenskapelig artikkel fra 2020 kunne Lodahls forskningsgruppe fortelle at de kunne sende 115 fotoner ut som perler på en snor – av en kvalitet som gjorde at de kunne utnyttes som kvantebits.

Men det er også utfordringer:

– Fotonene mine kan fortsatt gå tapt hvis jeg ikke passer godt nok på dem. Nøkkelen er å unngå å miste fotonene. Det er det som må løses før vi kan skalere opp teknologien, forklarer Lodahl.

Kjernen i problemet er det kvantefysiske prinsippet som kalles «entanglement» – sammenfiltring. Hvis to kvantepartikler er sammenfiltret, vil en måling av den ene partikkelen påvirke den andre. De oppfører seg med andre ord likt. Selv om de befinner seg ulike steder i universet.

Hvis Lodahls gruppe kan produsere fotoner som sammenfiltres med andre fotoner, vil det være et solid gjennombrudd. Når et foton er sammenfiltret med 30, 100 eller 1 million andre fotoner, kan man nemlig gjennom det ene fotonet påvirke alle de andre.

– Det er det man kan bruke en kvantedatamaskin basert på lys til, sier Lodahl.

Carlos Faurby (til venstre) viser Peter Lodahl et pågående forsøk.
Carlos Faurby (til venstre) viser Peter Lodahl et pågående forsøk.

Skaper kunstige atomer

Morten Kjaergaard forsker på superledende kvantebits – samme type som ble brukt da Google i 2019 nådde kvantefordelen.

De er helt annerledes enn Peter Lodahls kvantebits.

De er basert på superledende materialer. Det vil si kobber eller jernmaterialer som elektroner kan bevege seg rundt i helt uten motstand.

I prinsippet kan alle superledende materialer brukes. Men i praksis bruker forskerne i dag bare aluminium eller niob, påpeker Kjaergaard.

Når superledende materiale kjøles ned til sin kritiske temperatur, oppfører materialet seg som om det er én stor masse. Under de iskalde forholdene kan det superledende materialet dermed betraktes som ett stort kunstig atom.

Det har kvantefysiske egenskaper som forskerne kan utnytte til å skape kvantebits når de samler materialet på mikroskopiske nanochips.

Styrken ved superledende kvantebits er at man har godt kontroll over dem. Og så kan de – til forskjell fra Peter Lodahls fotoner – ikke forsvinne. Derimot kan de forstyrres av temperatur eller magnetfelt.

Måle- og kalibreringsarbeidet foregår på kasser som kobler sammen kryostaten med små kvantebits og de vanlige datamaskinene på skrivebordet.
Måle- og kalibreringsarbeidet foregår på kasser som kobler sammen kryostaten med små kvantebits og de vanlige datamaskinene på skrivebordet.

De tidligste datamaskinene

Derfor består en stor del av Morten Kjaergaards jobb av å sende signaler ned til kjølesystemet for å kalibrere det.

– Akkurat nå har vi en feilrate på en promille. En normal transistor har en feilrate på en milliarddel av en milliarddel. Det skjer med andre ord aldri, forteller Kjaergaard.

– Så vi har en lang vei å gå, konstaterer han og sammenligner kvantebit-kappløpet med utviklingen av de tidligste datamaskinene:

– De første datamaskinene fra 1940-årene brukte vakuumrør, og de hadde noenlunde samme feilrate som kvantebits i dag. Men så kom det en ny teknologi i form av transistoren som viste seg å være helt overlegen. Men vi vet ikke hvilken type kvantebits det er som er transistoren.

Innmaten fra kryostaten der de chipene med superledende kvantebiters holdes nedkjølt.
Innmaten fra kryostaten der de chipene med superledende kvantebiters holdes nedkjølt.

Egentlig ingen konkurranse

Om det blir de fotoniske, superledende eller en helt annen type som vinner fram, vil tiden vise.

Kjaergaard kaller det brede feltet en perfekt situasjon.

– Vi kan lære av hverandre. De løser ulike problemer. Og mange av de store framskrittene har skjedd når noen fra det ene feltet har gått over til det andre feltet og sagt: «Vet dere hvordan man gjør dette?», forklarer forskeren.

Men faktisk trenger det ikke bare å være én vinner. Det forskes nemlig også på hvordan de ulike kvantebitenes kan kobles til hverandre og fungere sammen i et system.

Ifølge Peter Lodahl kan denne hybrid-modellen bli den vinnende strategien. Derfor betrakter han Kjaergaard mer som kollega enn konkurrent:

– Det er faktisk veldig viktig for meg å understreke, sier han.

– Alle kan bli forelsket i sine løsninger. Men man bygger ikke ny kvanteteknologi i et elfenbenstårn i konkurranse med alle andre. Det krever at vi kan jobbe sammen og utnytte hverandres styrker, sier professoren.

Referanser:

Frank Arute mfl.: Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 2019. Doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5

Ravitej Uppu mfl.: Scalable integrated single-photon source. Science Advances, 2020. DOI: 10.1126/sciadv.abc8268

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.

Vi vil gjerne høre fra deg!

TA KONTAKT HER
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? Eller tips om noe vi bør skrive om?

Powered by Labrador CMS