Ny superpincet griber fat i et enkelt atom

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.

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 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

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.

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.