– Vet du hva dette er? spør Matthias Christandl og vifter med en stor molekylstruktur i plast.

– Det er en aminosyre, sier han. Vi står i et avlangt møtelokale med skråvegger på Østerbro i København. Han fortsetter sakte og pedagogisk.

– En aminosyre består av molekyler. Molekyler består av atomer. Og atomer beskrives av kvanteteorien. Så kvanteteorien beskriver også molekyler.

Så enkelt kan koblingen mellom kvantefysikken og biologien beskrives.

Den innsikten vil kanskje kunne redde mange menneskeliv. Kvantedatamaskinen, som bygger på kvantefysikk, kan nemlig være nøkkelen til å oppdage nye og bedre medisiner.

Hvis det noen gang blir realisert. Det er det Matthias Christandl skal prøve å få til.

Han er professor i matematikk ved Københavns Universitet og leder forskningssenteret Quantum for Life, som forsøker å samle informatikk, kvantefysikk og biologi i en komplisert blanding som – kanskje – kan revolusjonere verden.

Vi har besøkt forskningssenteret for å forstå hvordan det er mulig.

Enorme forventninger

Forventningene til kvantedatamaskinen er mildt sagt høye.

Men blandingen av kvantefysikk og farmasi – læren om legemidler – er spesielt trendy, forteller Ulrich Busk Hoff, som leder kvanteforskningssenteret på Danmarks Tekniske Universitet – QuantumDTU:

– Et gjennombrudd i form av nye, bedre eller billigere medisiner vil hjelpe mange mennesker, spår Hoff, som ikke er involvert i arbeidet ved Quantum for Life.

Likevel er senterleder Matthias Christandl forsiktig med å love for mye:

– Jeg kan ikke love at arbeidet vårt fører til nye legemidler om 10 eller 20 år. Men vi gjør vår beste for å vise at det er mulig, sier han.

Å fange atomer

I møtelokalet på Østerbro legger Christandl aminosyre-strukturen fra seg igjen og trekker fram en stor, grønn plate med masse små hull; en forstørret modell av en liten membran som kan være nøkkelen til å løse problemet.

I hvert hull av membranen forsøker forskerne å fange og holde fast på enkeltatomer, forklarer han.

Hvis man kan holde fast atomer enkeltvis, kan man bygge kopier av biologiske komponenter – som molekyler, aminosyrer og etter hvert makromolekyler – fra bunnen.

Blir det mulig, kan forskerne bygge kopier av hele molekyler ned på atomnivå som de kan styre og simulere gjennom kvantedatamaskiner.

Men enkelt er det ikke.

Molekyler i en høystakk

Jakten på ny medisin er i dag prøving og feiling noe som er dyrt og tidkrevende.

Når bedrifter eller forskere utvikler nye medisiner, bruker de superdatamaskiner til å simulere molekyler.

Når de mener at de er på sporet av et interessant molekyl, etterprøver det det med kjemiske eksperimenter. Har ikke molekylet den effekten de hadde håpet på, går de tilbake til datamaskinen igjen.

Men klassiske datamaskiner har bare nok regnekraft til å foreta relativt simuleringer. Så jakten på molekylet går sakte.

Behovet for regnekraft voker eksponentielt med størrelsen på molekylet. Så hver gang man legger til et atom til en molekylsimulering, må datamaskinens regnekraft fordobles.

– Det blir raskt en veldig stor datamaskin du trenger. Derfor kan du bare simulere må molekyler på klassiske datamaskiner, konstaterer Christandl.

Jakten på makromolekyler

Her kommer kvantedatamaskinen inn i bildet.

Når atomene i et molekyl er underlagt kvantefysikken, kan en kvantedatamaskin nemlig også simulere molekyler.

Siden kvantedatamaskinen samtidig har en kapasitet som får de beste klassiske datamaskinene til å se ut som en Commodore 64, vil de også kunne simulere mye større og mer komplekse molekyler.

Den verdenskjente fysikeren Richard Feynman spådde dette allerede i 1981.

De siste årene er profetien hans nesten blitt til virkelighet. Flere forskere har utført vellykkede molekylsimuleringer med kvantedatamaskiner – men ikke i makromolekyl-størrelsen (se faktaboks).

Hvis det lykkes å simulere makromolekyler, er det tid og penger å spare.

– I stedet for å gjennomføre dyre forsøk i laboratoriet, vil man kunne regne seg fram til hvilke molekyler som kan bli til nye medisiner, forklarer Christandl.

Jakten kan deles inn i tre trinn.

Trinn 1: Det spesifikt kvantefysiske

Første utfordring er å finne fram til de molekylene som egner seg best til å bli gjenskapt og undersøkt i kvante-form.

– Du må tenke på hva som er spesielt i hvert molekyl: Hva er forskjellen på den kvantefysiske og klassiske beskrivelsen av molekylet? Bare det er en enorm utfordring, forteller Christandl.

På et sveitsisk laboratorium i Zürich står en liten hær av kjemikere for å velge ut de molekylene som har noe spesielt kvantefysisk over seg.

Deretter sender de oppgaven videre til Matthias Christandl og gruppen hans fra København.

Trinn 2: Algoritmer

Så går Matthias Christandl og hans informatikere og matematikere i gang. De bygger en kvantealgoritme som kan simulere molekylets kvantesystem.

Forskerne kan ikke nøye seg med den kvantefysiske beskrivelsen av molekylet til kjemikerne i Zürich. De må «temme» molekylet ved å kode kvantesystemet i en kvantealgoritme.

Kvantefysikken er nemlig uregjerlig: To kvantepartikler kan være to steder samtidig (superposisjon). Måler man én kvantepartikkel, vil målingen kunne påvirke andre kvantepartikler (sammenfiltring).

Et kvantesystem har vi derfor veldig lite kontroll over i virkeligheten. Men en kopi av et kvantesystem som er beskrevet gjennom en algoritme, kan man kontrollere – og dermed simulere på en kvantedatamaskin.

Litt som du kan kontrollere et fotballspill på datamaskinen, men ikke kan styre hva som skjer på fotballbanen i virkeligheten.

Men å bygge en god algoritme er en vitenskap i seg selv. Og når det kommer til utviklingen av kvantealgoritmer, vet vi mye mindre enn når det gjelder algoritmer til klassiske datamaskiner.

Så igjen: Det høres kanskje enkelt ut å skrive «kvantealgoritmer». Men foreløpig er denne delen like tricky som … ja, utforskningen av kvantefysikken.

Trinn 3: Eksperimentet

Mens Christandls gruppe videreutvikler algoritmene, arbeider en gruppe fysikere i en kjeller under Niels Bohr Institutet – bare et steinkast unna.

De forsøker å fange atomene i membranen – den grønne modellen av en plate som Christandl dro fram. Den ekte membranen er imidlertid en mikroskopisk chip som består av silisiumnitid.

Er man i tvil om det er avansert, kan man kaste et blikk på eksperimentets oppstilling.

I kjellerlokalet, som holder en stabil temperatur på 24 grader (én grad varmere eller kaldere vil ødelegge eksperimentet), fordeler et landskap av mer enn 300 optiske speil (alle har en funksjon!) og en jungel av kabler seg over to brede metallbord.

I midten av det ene bordet står hovedeksperimentet: en høy metallkonstruksjon med et avlangt glass i midten. Nederst i glasset henger membranen som forskerne forsøker å fange atomene i.

Øverst i glasset produserer fysikerne en sky av iskalde. Det er som en liten galakse, forteller Jean-Baptiste Sylvain Béguin, adjunkt i kvanteoptikk ved Niels Bohr Institutet.

Forskerne bruker en laserteknikk til å isolere og styre en gruppe av atomene fra skyen og ned mot bunnen av glasset.

I bunnen av glasset kan atomene – igjen ved bruken av lasere – presses fram plass i membranen der det er meningen at atomene skal fanges enkeltvis i hvert hull.

Klarer de dette – og ingen vet når det vil skje – kan forskerne bygge «kunstige» molekyler på atomnivå.

Science fiction?

Når de kunstige molekylene kan bygges og kontrolleres, kan kvantealgoritmene tas i bruk, og da kan de store legemiddelselskapene begynne å lete etter nye medisiner.

Det blir nemlig mulig å simulere alle makromolekyler. Og etter hvert vil det hjelpe oss med å forstå og behandle sykdommer som alzheimers og ALS, der bare et enkelt basepar i et protein har en feil.

I prinsippet.

For det er – som du nok forstår – langt igjen. Alle tre trinn – fra kjemikernes jakt på kvantesystemet til informatikernes koder av kvantealgoritmer og fysikernes evne til å isolere og styre atomer – må mestres og gjentas igjen og igjen uten feil.

– Det er fortsatt ren grunnforskning, påpeker Matthias Christandl.

– Målet vårt er å bygge en plattform som kan demonstrere at prinsippene bak kvantesimulering av molekyler virker, sier han.

– Men er det science fiction? Kommer det noen gang til å virke?

– Det er vanskelig å si. Jeg liker å fokusere på de fantastiske framskrittene på kvanteteknologiområdet de siste fem årene. For bare fem år siden hadde vi ikke kvantebits som kunne kobles til en kvantedatamaskin. Nå har vi datamaskiner med mer enn hundre kvantebits.

– Man kan bare gjette på hva vi få til i framtiden, avslutter Christandl.

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