Ny superpincet griber fat i et enkelt atom
Fysikere fra Aarhus Universitet og Max Planck Instituttet i München har skabt en uhyre præcis pincet, der kan gribe fat i ét atom - et kæmpe gennembrud i udviklingen af potente kvantecomputere.

Den nye superpincet består af en energirig laserstråle, der kan løfte et indespærret atom ud af sit fængsel. (Illustration: Max Planck Institut, München)

Den nye superpincet består af en energirig laserstråle, der kan løfte et indespærret atom ud af sit fængsel. (Illustration: Max Planck Institut, München)

Superpincetten griber fat i det lille atom og drejer det en omgang. Herefter sætter den varsomt atomet tilbage igen.

Indgrebet sker så sikkert og præcist, at det enkelte atom elegant vipper ind i en ny position, uden at det på nogen måde forstyrrer omgivelserne.

En pincet, der kan gribe fat i atomer, er ikke ren utopi, men har for nyligt taget form, og designeren af pincetten er postdoc i kvantefysik Jacob Sherson fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

»Vi kan med uhørt præcision fange lige netop ét atom i superpincetten. Det gør det for første gang muligt at ændre på individuelle atomers tilstand,« fortæller han. 

Fakta

Forskerne har taget et billede af den æggebakkeformede struktur, der afslører, at 297 brønde ud af 300 brønde er fyldt op med atomer. Det er en verdensrekord og langt bedre, end hvad andre hidtil har formålet at gøre.

De nye resultater er sluppet gennem nåleøjet hos det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature, fordi de har store teknologiske perspektiver.

Superpincetten er nemlig et stort skridt hen i retningen af at udvikle en potent kvantecomputer, der vil kunne løse nogle af verdens største videnskabelige problemer og knække hidtil ubrydelige koder.

Kvantecomputere er enestående kodebrydere

En kvantecomputer bruger enkelte atomer som datalager. Jo flere atomer, computeren kan trække på, des større hukommelse har den, og des hurtigere bliver den i sine beregninger.

Men et stort antal atomer er ikke nok til at skabe en kvantecomputer, der er konkurrencedygtig med konventionelle computere – den skal også være i stand til at lagre informationer og gennemføre komplekse beregninger på en radikalt anderledes måde.

Informationerne i en kvantecomputer lagres nemlig ikke som bits i form af 0 og 1, men som kvantebits, der på grund af de helt specielle spilleregler, der gælder for enkelte atomer, kan være både 0 og 1 samtidig. Denne parallelitet er kilden til kvantecomputerens enorme kraft.

En forudsætning for, at det kan udnyttes, er, at man har et værktøj, der kan gribe fat i hvert enkelt atom og ændre på dets kvantetilstand. Og det er netop det, som den nye pincet er i stand til at gøre.

Kvantecomputere svære at bygge fra bunden

Den nye superpincet er et led i en banebrydende ny strategi, som forskerne har brugt i deres forsøg på at udvikle en kvantecomputer.

Jacob Sherson og hans kolleger besluttede for tre år siden at droppe den gængse metode, der går ud på at bygge en kvantecomputer ved at binde et større og større antal atomer sammen i en kompleks struktur – en fremgangsmåde, der i forskerkredse kaldes for 'bottom up'.

Den nye superpincet kan 'farvelægge' udvalgte atomer, så der opstår de fineste mønstre. Kun fantastien sætter grænser for, hvad de kan bruges til. (Illustration: Max Planck Institut, München)

Den første kvantecomputer, der så dagens lys i 1998, var konstrueret efter det princip, men kunne kun lave simple beregninger som f.eks. 3*5=15.

»Der eksisterer i dag kvantecomputere, men de kan kun håndtere en håndfuld kvantebits, og det er så teknologisk krævende at tilføje hver ny bit, at det er svært at forestille sig, at disse metoder kan bruges til at lave kvantecomputere med hundredvis eller tusindevis af kvantebits,« siger han.

Han og hans kolleger kastede sig i stedet ud på dybt vand og satse på en helt ny metode, 'top down', der populært sagt går ud på at lade computeren bygge sig selv. 

Forskernes idé var at bruge et teknisk kunstgreb på en stor sky af atomer, så atomerne blev tvunget til at organisere sig i en æggebakkeformet struktur, hvor de blev presset væk fra hinanden og ind i hver deres 'brønd' eller 'celle'. Når først atomerne blev holdt fast i et skruestik, satsede forskerne på at kunne udvikle et værktøj, der kunne gribe fat i atomerne ét for ét. (Se boks). 

Fotograferede indespærrede atomer

Fakta

Forskerne har taget et billede af den æggebakkeformede struktur, der afslører, at 297 brønde ud af 300 brønde er fyldt op med atomer. Det er en verdensrekord og langt bedre, end hvad andre hidtil har formålet at gøre.

Den strategi har nu vist sig at bære frugt.

I efteråret 2010 publicerede forskerne det første store gennembrud i tidsskriftet Nature, hvor de viste, at det rent faktisk kunne lade sig gøre at tvinge hundredvis af atomer til at organisere sig og tvinge dem ned i dybe brønde, som de ikke uden videre kunne slippe ud af.

For at dokumentere, at atomerne faktisk opførte sig sådan, tog forskerne snapshots af atomerne ved hjælp af et helt nyt mikroskop med ultrahøj opløsning, som de havde udviklet til lejligheden. Også dette resultat blev i sin tid publiceret i Nature.

I dag, få måneder efter, har forskerne så opnået det næste store gennembrud i form af den superpræcise pincet, som er i stand til at flytte rundt på atomerne og manipulere deres kvantetilstand, det såkaldte spin.

»Pincetten er en form for laserstråle med en ganske bestemt bølgelængde og en høj intensitet. Atomerne kan nemlig lide at være inde i lys med så høj intensitet som muligt. Laserstrålen har den særlige egenskab, at den kan pege på ét atom uden overhovedet at genere naboen,« siger han.

Godt begyndt, næsten fuldendt

Jacob Sherson lægger ikke skjul på, at opfindelsen for ham er en stor triumf.

»Med den nye pincet bevæger vi os med syvmileskridt mod en stor-skala-kvantecomputer, og vi er med den nyeste forskning kommet 2/3-dele af vejen,« konstaterer Jakob Sherson.

Fakta

Jacob Sherson har under sit ph.d.-studie på Københavns Universitet arbejdet med noget så eksotisk som teleportation. Det lykkedes ham at flytte information fra lys til stof.

Forskerne mangler nu kun det sidste afgørende skridt for at komme helt i hus, nemlig at få computeren til at  bruge atomerne til at lave komplicerede beregninger. En betingelse for, at det sker, er at man kan lave en kontrolleret operation mellem to forskellige kvantebits.

»Vi har gode idéer til, hvordan dette sidste trin kan gøres, så vi har gode forhåbninger til, at vi når målet,« siger han.

Det laboratorieudstyr, som Jacob Sherson og hans kolleger har arbejdet med, gør sig ikke godt på et skrivebord hjemme i privaten, så det endelige skridt er at få designet en lidt mere handy version af forskernes udstyr, som kan bruges i en salgbar kvantecomputer.

»Den opgave kan vi ikke klare - her skal der kommercielle kræfter til. I det øjeblik, vi har vist, at det kan lade sig gøre at bygge en potent kvantecomputer på denne måde, så må andre, der har forstand på at lodde så småt, komme til,« siger han og smiler.

Laserstråler hundser rundt med atomer

En forudsætning for at kunne fiske et atom op med en pincet er, at atomet såvel som dens artsfæller er skubbet ind i nogle fælder, eller brønde, som de ikke kan slippe ud af igen. 

Den opgave har Jacob Sherson og hans kolleger klaret ved at gennemskære en stor sky af atomer ved hjælp af laserstråler. Forskerne placerede laserstrålerne, så de tilsammen dannede et finmasket netværk, der gennemskærer atomskyen på kryds og tværs.

Gitteret skaber en masse brønde, som er attraktive for atomerne at være i, og som de derfor automatisk søger hen imod. Pladsen i brøndene er dog trang, og der kan kun være et eller to atomer i hver brønd. De mange brønde ligger på rad og række som hullerne i en æggebakke.

Ved at køle anlægget ned til ekstremt lave temperaturer uhyre tæt på det absolutte nulpunkt, bliver brøndene dybere og dermed sværere for atomerne at komme op ad.

Når brøndene bliver dybere, så frastøder atomerne hinanden og skubber sig så langt væk fra hinanden som muligt, og de vil derfor atomatisk søge over i hver deres brønd.

I det øjeblik atomerne sidder fast i brøndene, er de lette for pincetten - en særlig slags laserstråle - at tage op og møffe rundt.

De atomer, som forskerne eksperimenterede med, er rubidium, som er grundstof nummer 37 i Det periodiske System.

Nyhed: Lyt til artikler

Du kan nu lytte til udvalgte artikler herunder. Du kan også lytte til de oplæste artikler i din podcast-app, hvor du finder dem under navnet 'Videnskab.dk - Lyt til artikler'.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på vores Instagram-profil, og læs om de nedenstående prisvindende billeder af stjernetåger og stjernefabrikker her.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med omkring en million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk