En kvantecomputer kan løse visse former for beregninger langt hurtigere end almindelige computere.

Nogle matematiske problemer, der ville tage en konventionel computer milliarder af år at løse, vil kunne klares på minutter eller sekunder i en computer, der er baseret på kvantemekanik.

De særlige kvantetilstande, der er nødvendige for at bygge en kvantecomputer, er imidlertid nogle skrøbelige størrelser.

Den mindste smule støj fra omgivelserne kan ødelægge en kvantebit, så kvantecomputeren ikke virker længere. Blandt andet derfor er der endnu ingen, der har bygget en kvantecomputer, som for alvor kan give almindelige computere baghjul.

Men nu har forskere fra Center For Quantum Devices (QDev) på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet fundet ud af, hvordan man kan gøre kvantebit mere robuste.

De har beskrevet deres eksperimenter i en artikel i det ansete videnskabelige tidsskrift Nature, og de har også en plan for, hvordan teknologien kan bruges i fremtidens kvantecomputere.

Superledende halvleder holder på kvanteinformationen

»Vi har brugt et nyt materiale, der er opfundet her i København, hvor en halvleder og en superleder er bragt sammen,« fortæller Charles Marcus, der er professor i kvantefysik ved QDev.

»I nanotråde af dette materiale, som vi ved hjælp af magnetfelter kan få til at fungere som en såkaldt topologisk superleder, kan vi opbevare kvanteinformation, der er beskyttet mod at blive forstyrret af omgivelserne. Informationen er låst fast.«

De sekskantede nanotråde, som forskerne tog udgangspunkt i, har en tykkelse på 0,1 mikrometer – en titusindedel af en millimeter. De er fremstillet af halvledermaterialet indiumarsenid, belagt med et 0,01 mikrometer tyndt lag aluminium på to af siderne.

Mystiske partikler dukker op

I disse nanotråde opfører elektroner sig så besynderligt, at det ser ud, som om der opstår en ny form for partikler, der kaldes Majorana-partikler. Det er ikke rigtige elementarpartikler, men såkaldte kvasipartikler – specielle tilstande med særlige egenskaber, som forskerne kan udnytte.

»Her har du et eksperiment, hvor de efter alt at dømme har set Majorana-tilstande, der passer på teorien. Det er nyt og interessant, også ud fra et rent grundvidenskabeligt synspunkt,« siger Georg Bruun, der er lektor på Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet. Han har ikke selv haft noget med eksperimentet at gøre, men har læst den videnskabelige artikel, og han synes, det ser rigtig spændende ud.

»Majorana-partiklen er sjov, fordi den er sin egen antipartikel. I dette tilfælde er den en superposition af en elektron og et hul – en manglende elektron. Nu lader det til, at sådan nogle er set i København.«

I hver ende af en nanotråd dukker en af disse Majorana-partikler op, og tilsammen kan de holde på den kvanteinformation, der skal bruges i en kvantecomputer.

Når de to Majorana-partikler er langt fra hinanden, har de praktisk taget ingen energi, og denne kvantemekaniske nul-energi-tilstand er modstandsdygtig over for forstyrrelser. Derfor er den så brugbar.

Halvanden mikrometer nanotråd er nok

Hver elektron i den superledende halvleder opfører sig, som om den er makker med en anden elektron - som børn, der holder i hånden og danner en kæde. Men i kædens ender er der ingen at holde i hånden, og her opstår Majorana-tilstandene. (Illustration: J. Alicea/Nature)

»Majorana-tilstandene opfører sig nøjagtig, som vi havde forestillet os. Når de er langt fra hinanden, fordi nanotråden er lang, er de låst fast ved nul energi, og så slipper informationen ikke ud til omgivelserne. Den er beskyttet,« fortæller Charles Marcus.

»Nanotråden skal blot være halvanden mikrometer lang, før Majoranaerne er så tæt på at have nul energi, at de låser kvanteinformationen fast.«

Fysikerne fra Københavns Universitet har ikke bare vist, at det nyudviklede materiale er en topologisk superleder, hvor Majorana-tilstandene kan eksistere. De har altså også fundet ud af, hvor lang nanotråden skal være, for at kvanteinformationen bevares og ikke lækker til omgivelserne.

Meget arbejde venter

Arbejdet med nanotrådene er kun lige begyndt, for der er et stykke vej til at vise, at kvanteinformation kan opbevares sikkert, og så til at bygge en velfungerende kvantecomputer med mange kvantebit.

»Næste skridt er at få informationen ind i nanotrådene, manipulere med den og få den ud igen. Vi ved, hvad vi skal gøre for at nå derhen, og vi er i gang med eksperimenterne. Det vil nok tage et halvt års tid at få det til at lykkes,« lyder det fra Charles Marcus.

Bagefter skal flere nanotråde flettes sammen i en T-form, og forskerne skal finde ud af, hvordan de kan rykke rundt på Majorana-partiklerne i dette T.

»Det burde kunne klares på et år eller to. Og når det fungerer, skal vi forbinde flere nanotråde-T'er og få dem til at virke som en kvantecomputer tilsammen. Det vil tage længere tid, men jeg er meget optimistisk. Det skal nok virke,« siger Charles Marcus.

Godt på vej mod en kvantecomputer

Ph.d.-studerende Sven Albrecht (tv) og professor Charles Marcus står her foran det udstyr, hvor eksperimenterne har fundet sted. Her kan temperaturen bringes ned i nærheden af det absolutte nulpunkt, hvilket er nødvendigt for at få superlederen til at fungere. (Foto: Ola J. Joensen, NBI)

Georg Bruun er enig med Charles Marcus i, at det er en lovende teknologi:

»Forskerne har på en overbevisende måde vist, at Majorana-tilstandene eksisterer – det er i hvert fald svært at forklare resultaterne på andre måder. Hvis de kan finde en måde at flette nanotråde med Majorana-tilstande sammen på en robust og hurtig måde, så vil de vinde kapløbet mod en kvantecomputer.«

»Sådan en er fuldstændig vanvittig god til at søge i en database, og den kan simulere systemer, der består af mange partikler, og som opfører sig kvantemekanisk. Hvis man for eksempel skal forstå et protein på kvanteniveau for at fremstille ny medicin, så er en kvantecomputer nyttig.«

Rundt omkring i verden sidder andre forskerhold og arbejder på topologiske kvantecomputere og på kvantecomputere, der er baseret på andre principper. Men en computer baseret på Majorana-tilstande i nanotråde burde være nemmere at bygge end mange andre former for kvantecomputere, netop fordi kvanteinformationen ikke lader sig forstyrre så let.

Det er dog stadig er åbent spørgsmål, hvem der kommer først med en kvantecomputerarkitektur, der er til at have med at gøre.

Konkurrencen er hård på området, men sikkert er det, at vi i Danmark har forskere, der er i den absolutte verdenselite på feltet.