Et kvantebitte spring nærmere supercomputeren
Danske fysikere har meldt sig ind i det hektiske kapløb om at lave verdens første seriøse kvantecomputer. Målet er en computer, der hurtigt kan løse opgaver, som nutidens kraftigste computer ville bruge en million år at løse.

Schrödingers eksperiment gik ud på at lukke en kat inde i en kasse med en atomkerne. Atomkernen er ustabil - henfalden og ikke-henfalden. Det samme er katten. Både død og levende på samme tid. (Foto: Colourbox)

Drømmen om at lave en potent kvantecomputer ligger stadigvæk nogle år ud i fremtiden. Men virkeliggørelsen vil betyde en revolution på computerområdet, da den kvantemekaniske regnemetode vil gøre det muligt at lave komplicerede udregninger, som ellers ville tage mere end universets levetid at udregne på en almindelig computer.

Forskere ved Nano-Science Center, Københavns Universitet har netop offentliggjort resultater i tidsskriftet Nature Physics, der bringer os tættere på kvantecomputeren. Postdoc Henrik Ingerslev Jørgensen har sammen med sine kollegaer taget føringen i det internationale kapløb om at lave en kvantebit i et nanorør af kulstof.

»Vores resultater giver os for første gang mulighed for at forstå samspillet mellem to elektroner, der placeres ved siden af hinanden i et kulstof-nanorør. En banebrydende opdagelse, som er grundlæggende for at kunne lave en kvantemekanisk bit, en såkaldt qubit, som er grundstenen i en kvantecomputer,« siger Henrik Jørgensen.

To ting på samme tid

En almindelig computer består af millioner af små transistorer. Ved hjælp af dem kan computeren arbejde med to tal: 0 og 1. Hver af de to tal repræsenterer det, der kaldes en bit. Alt, hvad der vises på computerens skærm, udspringer af beregninger med de to tal.

I en kvantecomputer er transistorerne erstattet af elektroner. Elektroner spinner om deres egen akse. På samme måde, som når transistorerne skaber 1-taller og nuller, så er forskerne i stand til at kontrollere elektronernes spin, og på den måde få dem til at repræsentere 0 og 1 som en almindelig computerbit.

Men det, som adskiller qubit'en fra en almindelig bit, er, at ud over de to klassiske tilstande 0 og 1, så kan qubitten også være i en såkaldt superposition af de to tilstande - det vil sige, de kan være både 0 og 1 samtidigt.

Schrödingers kat er ikke død - måske

En af de tidlige drivkræfter bag kvantemekanikken var den østriske fysiker og nobelpristager Erwin Schrödinger (1887 - 1961). For at demonstrere paradokset i superposition opstillede han følgende ligning, der siden er blevet kendt som »Schrödingers kat«:

En kat lukkes inde i en kasse sammen med en ustabel atomkerne. Kernen overvåges af en geigertæller, som udløser en dødelig dosis gift, der øjeblikkelig dræber katten, når tælleren registrerer, at atomkernen henfalder. Fordi atomkernen er ustabil, er den på samme tid henfalden og ikke-henfalden. Det medfører altså, at katten også vil være i superposition, altså både død og levende samtidig. Men først når man kigger ind i kassen, vil man rent faktisk kunne afgøre, om katten er død eller levende.

Vi er med andre ord derude, hvor det ikke længere giver mening at bruge den klassiske fyisk. Alligevel har superposition en afgørende indflydelse på kvantecomputere.

»Superpositionen er den egenskab, der sætter en kvantecomputer i stand til at løse parallelle beregningsopgaver, som almindelige computere ikke vil kunne løse,« forklarer Henrik Jørgensen.

Superposition er endnu ikke blevet bevist. Heller ikke i Henrik Jørgensens kvantebit, fortæller han.

Vi skal vænne os til kvanter

Kvantemekanik er kommet for at blive. Men emnet er særdeles kompliceret, og selv kvantemekanikkens fædre havde svært ved at fatte, hvad det var for en størrelse, de havde med at gøre.

»Hvis man kan sætte sig ind i kvantemekanik uden at blive svimmel, har man ikke forstået noget af det,« sagde Niels Bohr engang. Teorien om Schrödingers kat havde også indflydelse på ham.

Hans kollega Richard Feynman, der var én af de første, der tænkte tanker omkring kvantecomputere, mente, at »kvantemekanik er ikke noget, man kan forstå - det er noget, man skal vænne sig til.«

Alligevel er interessen for at udvikle større og bedre kvantecomputere vokset kolossalt i den internationale forskningsverden gennem de senere år.

De kraftigste kvantecomputere er nu nået op på 12 qubits. Milepælen for en den første generation af kvantecomputere er 2000 qubits, og en sådan computer vil kunne knække selv de allermest indviklede krypteringskoder i verden på en halv time.


Svært at holde på ionerne

Michael Drewsen, der er lektor ved Aarhus Universitet og forskningsleder ved QUANTOP - Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik - er selv med i kapløbet om at udvikle kvantecomputere.

»Det er endnu svært at sige præcis, hvor mange anvendelser en kvantecomputer vil få, og hvad anvendelsen for almindelige mennesker kan være. På samme måde var det med laseren, da den blev opfundet i 1960. Den blev i starten betragtet som en kuriositet, uden nogen praktisk anvendelse. I dag er laseren en del af vores hverdag,« fortæller Michael Drewsen.

Ifølge Michael Drewsen er den metode til at udvikle kvantecomputere, der er længst fremme, brugen af såkaldte ionfælder, som via elektroder kan fastholde elektronerne i et vakuumkammer. Det har dog samtidig den begrænsning, at man på nuværende tidspunkt ikke kan konstruere enheder på mere end 8 qubits.

»Vi er nødt til at udvikle en ny teknologi, der kan koble flere forskellige ionfælder sammen. Det svarer lidt til en traditionel computer, hvor man også har en begrænsning på, hvor mange bit computerens CPU kan håndtere på en gang, og hvor man derfor er nødt til at lave komplekse kredsløb af mindre enheder for at opnå en kraftig computer,« forklarer Michael Drewsen.

Kapløbet fortsætter

Michael Drewsen mener, at kapløbet omkring udvikling af kvantecomputere stadig er rimelig åbent, og at det stadig er meget seriøst at komme med nye metoder, som Henrik Jørgensens gruppe har udviklet med to elektroner i et kulstof-nanorør.

På Nano-Science Center har man studeret de kvantemekaniske egenskaber af kulstof-nanorør i ti år, og her ser man store fordele i den nye teknologi.

»Brugen af kulstof-nanorør har den store fordel, at der ikke er forstyrrende magnetisme fra atomkerner, som findes i visse andre materialer. Nanorør har helt unikke elektroniske og materielle egenskaber«, forklarer Henrik Jørgensen.

Hvem der kommer først med den første ægte kvantebit i kulstof-nanorør, mener Henrik Jørgensen, at vi ved inden for et år, men hvilken metode, der viser sig at være bedst egnet for kvantecomputeren, må vi formentlig have tålmodighed lidt længere med at få at vide.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud