Danske forskere viser en ny vej mod kvantecomputere
Fremtidens supercomputer regner med kvantebits, men kvantesystemer er skrøbelige og nedbrydes nemt. Nu er det lykkedes danske forskere at vende nedbrydningen til en fordel, så det er blevet meget nemmere at skabe de særlige kvantetilstande, der er brug for i en kvantecomputer.

Sådan kan man forestille sig, at kvantesystemet ser ud. De røde berylliumatomer er filtret sammen, mens de grønne magnesiumatomer frigiver varme til omgivelserne. (Tegning: Bertram/Motion Forge/NIST)

En kvantecomputer kan foretage visse former for beregninger langt mere effektivt end en almindelig computer. Derfor står sådan en øverst på ønskelisten hos mange forskere, ikke mindst i Danmark, hvor vi er med helt fremme i feltet, når det kommer til kvantefysisk forskning.

Kvantecomputere regner med kvantebits i stedet for almindelige bits, og det gælder om at få flere kvantebits til at arbejde sammen. De enkelte kvantebits skal bringes i en tilstand, som de er fælles om. Det kaldes entanglement, som bedst kan oversættes til sammenfiltring.

»Første skridt mod en kvantecomputer er entanglement. Uden det kan vi ikke komme nogen vegne,« bekræfter Anders Søndberg Sørensen, der er professor i kvanteoptik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Sammen med ph.d.-studerende Florentin Reiter har han regnet sig frem til en måde, som gør det nemmere at opnå denne sammenfiltring. Bagefter har de fået eksperimentalfysikere fra National Institute of Standards and Technology i USA til at tjekke, at metoden rent faktisk virker som forudsagt. Og det gør den.

Metoden beskrives i en artikel i det nye nummer af det anerkendte naturvidenskabelige tidsskrift Nature.

Kvantesystemer er skrøbelige

Kvantesystemer, hvor flere kvantebits er sammenfiltrede, er svære at have med at gøre. De er meget skrøbelige og nedbrydes ved blot den mindste forstyrrelse.

Derfor er det uhyre vanskeligt at skabe og opretholde sådan et kvantesystem, der altså er en nødvendig forudsætning for at bygge en kvantecomputer.

Hidtil har kvantefysikerne sørget for at isolere de sammenfiltrerede kvantebits  fra omverdenen, så godt som det nu kunne lade sig gøre. Men de danske fysikere er gået en helt anden vej. De har vendt problemet på hovedet og spurgt sig selv, om forstyrrelser af kvantesystemet kunne være en fordel i stedet for et problem.

Fysikerne forstyrrer med vilje

Atomerne blev fanget i en såkaldt ionfælde på denne printplade - et sted i den smalle sprække til venstre. (Foto: NIST)

I det amerikanske eksperiment, der er baseret på den danske idé, styrer fysikerne den måde, som kvantesystemet i form af to berylliumatomer vekselvirker med omgivelserne. På den måde bliver det muligt at bringe kvantesystemet i den helt rette, sammenfiltrede tilstand.

»Atomerne skal snakke med hinanden, men de må ikke snakke med omgivelserne - det ødelægger det hele. Sådan har det lydt indtil nu,« fortæller Anders Sørensen.

»Men i stedet for at forsøge at undgå, at de sammenfiltrede atomer snakker med omgivelserne, har vi vist, at man faktisk kan udnytte forstyrrelsen. Hvis vi har fuldstændig kontrol over den måde, atomerne vekselvirker med omgivelserne, kan vi også lave en kvantecomputer.«

To atomer filtres sammen

Vi er nede i småtingsafdelingen. Eksperimentets kvantesystem består af to elektriske ladede beryllium-atomer, der er lagt på køl, så temperaturen er ganske tæt på det absolutte nulpunkt ved -273,15 grader celsius. Her ligger atomerne så stille, at de kan arbejde sammen.

Systemet rummer også to magnesium-atomer, der  fungerer som en slags miniature køleelementer. Men det er beryllium-atomerne, der er stjernerne. Det er dem, der kan bringes i en fælles, sammenfiltret kvantetilstand, så de i princippet kan bruges i en kvantecomputer.

I eksperimentet ender atomerne i den sammenfiltrede tilstand, når kvantesystemet påvirkes af ganske særlige laserpulser. I løbet af 4-5 mikrosekunder står forskerne tilbage med kvantebits, der er perfekt sammenfiltrede.

Fysikerne skal bare vente

»Tilsammen kan atomerne - de to kvantebits - være i fire forskellige tilstande. Kun en af dem er sammenfiltret, de tre andre er vi ikke interesserede i,« siger Anders Sørensen.

»Vi har fundet frem til nogle helt bestemte laserpulser, som gør, at hvis atomerne er i en forkert kasse, så bliver de kastet op i luften, indtil de lander i den rigtige kasse, så at sige. Så skal vi bare vente, indtil de er på plads.«

Med den nye metode kan fysikerne altså bare læne sig tilbage og vente på, at kvantesystemet - via vekselvirkningen med omgivelserne i form af de særlige laserpulser - kommer på plads og bliver der.

Der er en del at holde rede på i laboratoriet på forskningscentreret NIST i USA. (Foto: NIST)

Det er en smartere metode end den eksisterende, hvor fysikerne også bruger lasere til at få atomerne til at komme i den helt rigtige tilstand, men hvor de påvirker atomerne med nøje afmålte laserpulser og så sørger for at stoppe på det præcis rigtige tidspunkt, når den ønskede kvantetilstand er opnået.  Bagefter skal de forhindre kvantesystemet i at blive brudt ned af forstyrrelser fra omverdenen.

Flere kvantebits er vejen frem

Kvantecomputere med to kvantebits er dog ikke til megen nytte. Med den traditionelle metode til at bringe ladede atomer i samme kvantetilstand er fysikerne oppe på 14 kvantebits, hvilket også er et stykke fra de hundreder eller tusinder, der er nødvendige for at gøre kvantecomputere praktisk anvendelige.

Spørgsmålet er, om forskerne på Niels Bohr Institutet har fundet en genvej til at skabe sammenfiltrede tilstande, hvor mange atomer arbejder sammen.

»Vi arbejder på at bruge vores metode til systemer med flere kvantebits. Nu har vi afprøvet ideen i laboratoriet, og det fungerer fint med to atomer. Så må vi se, hvor langt vi kan komme. Det er en ny vej at gå, men vi ved endnu ikke, om det en lettere vej. Vi bliver nødt til at gå lidt længere ud af den, før vi kan sige, om det er den rette vej frem,« fortæller Anders Sørensen.

»I princippet ville det være muligt at lave en kvantecomputer udelukkende baseret på vores ideer. Vi ved, at det er muligt, men ved ikke, om det er den bedste måde. Men det er ikke nødvendigvis enten-eller, for kvantesystemer forberedt med vores metode kan også indgå som del-elementer i en større kvantecomputer.«

Kvantecomputere skal løbende kunne rette fejl

Forstyrrende støj kan aldrig undgås, så under alle omstændigheder skal en kvantecomputer bruge et system til løbende at rette fejl. Her er der brug for, at computeren hele tiden har adgang til friske sammenfiltrede tilstande, og sådan nogle kan måske leveres ved hjælp af den nye metode.

Så selv om kvantecomputeren stadig er et godt stykke ude i fremtiden, er den kommet en smule tættere på med det nye videnskabelige arbejde fra forskerne i USA og Danmark.

Kvantebits kan have to værdier samtidig

I en computer repræsenteres information af en række af nuller og et-taller. I en klassisk computer opbevares data som bits, der kan have en af to mulige værdier, som man plejer at referere til som 0 eller 1.

I kvantefysikkens forunderlige verden opfører objekter sig imidlertid ikke, som man er vant til fra den makroskopiske verden.

I en kvantecomputer taler man om kvantebits, og sådan en kan også have to mulige værdier, som kan kaldes 0 og 1. Hvor almindelige bits nødvendigvis må have den ene eller den anden værdi, kan en kvantebit desuden være i en tilstand, hvor den på sin vis har begge værdier på én gang. Desuden kan to eller flere kvantebits kan forbindes på en måde, så de deler kvanteegenskaber. Det kaldes entanglement eller sammenfiltring.

I en almindelig computer kan to bits repræsentere én af fire forskellige værdier: 00, 01, 10 eller 11. Men to kvantebits kan repræsentere alle fire værdier samtidig, og i en kvantecomputer kan man udføre en beregning på alle fire værdier på én gang.

Med denne form for kvantemekanisk parallelberegning bliver det meget hurtigere at foretage visse former for beregninger, for eksempel at finde ud af, hvilke to primtal, der ganget sammen giver et givet tal, eller finde frem til en bestemt post i en stor database.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

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

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Det sker