I august publicerede min forskningsgruppe ved Aarhus Universitet, i samarbejde med kolleger fra Yale University i USA og University of Oxford i England, en artikel med titlen "Quantum Computing with an Electron Spin Ensemble" i det amerikanske tidsskrift Physical Review Letters.
Artiklen kommer med et teoretisk forslag til, hvordan man kan bygge en såkaldt kvantecomputer.
Kvantecomputere adskiller sig på afgørende måder fra klassiske computere. Ved at kombinere helt nye eksperimentelle teknikker, udviklet på Yale og i Oxford, med ingredienser fra vores teoretiske forskning ved Aarhus Universitet gennem de seneste år, er vi nu kommet med et forslag, der adskiller sig markant fra de mest gængse ideer om kvantecomputing.
Specielt håber vi, at forslaget vil gøre det lettere at foretage beregninger på store datamængder, og det peger derfor på genveje til den fagre nye kvanteinformationsverden.
Partikler er også bølger
Den revolutionerende ide om en kvantemekanisk computer tager sit udgangspunkt i det besynderlige fænomen, at mikroskopiske partikler har bølgeegenskaber. De skal beskrives, som om en enkelt partikel kan være flere steder på samme tid, ligesom en vandbølge ikke er et bestemt sted, men strækker sig over et større areal på en vandoverflade.
Siden kvanteteorien opstod i 1920erne, har den været genstand for undren og diskussion, og den lader sig ikke sådan forklare i en kort artikel. Selvom vi aldrig i dagligdagen ser partikler flere steder på en gang, ser vi i fysikkens verden mange konsekvenser af bølgebeskrivelsen.
Jeg appellerer til læseren om at tro på, at kvanteteorien - gennem sine meget præcise forudsigelser af eksperimenter - i dag giver en meget veldokumenteret beskrivelse af den mikroskopiske verden.
Kodebrydning kræver en kvantecomputer
En computer, som foretager et regnestykke, foretager i virkeligheden en fysisk operation på strømme og ladninger. De bevæger sig rundt i computerens indre ifølge instrukser fra et program, for til sidst at blive udlæst som svar på regnestykket.
Hvis vi tænker os, at dataene i en beregning er repræsenteret ved mikroskopiske kvantepartikler, så kan deres bølgeegenskaber benyttes, så man ved en enkelt gennemførelse af computerprogrammet på en enkelt processor kan regne på input, som har flere værdier på samme tid. På den måde kan kvantecomputeren foretage mange samtidige beregninger.
Især matematiske problemer, hvor man er nødt til at prøve sig frem for at finde den rigtige løsning til en opgave, søge efter et element i en database eller finde nøgleord til brydning af hemmelige koder, vil kunne drage nytte af en kvantecomputer, der kan regne på mange muligheder på samme tid. Der foregår da også store internationale offentlige (og hemmelige) anstrengelser for at bygge kvantecomputere.
Kvantebits kan være 0 og 1 på samme tid
Data i en computer betegnes bits. Det er cifre i computerens hukommelse, som kun kan antage de to værdier, 0 og 1. Med tilstrækkeligt mange bits kan man skrive lige så store tal, som vi kan skrive normalt i 10-talssystemet med cifrene fra 0 til 9.
I kvantecomputeren taler vi om kvantebits, som skal kodes i fysiske partikler, og som altså kan være 0 og 1 på samme tid, fordi partiklerne kan være to steder, eller i to tilstande, på samme tid.
I USA er det indtil videre lykkedes at konstruere en kvantecomputer, der kan finde de tal, der faktoriserer 15 - altså finde ud af, at man kan få produktet 15 ved at gange 3 med 5. Computeren bestod af en samling molekyler, hvor syv udvalgte atomkerner i hvert molekyle hver især tog sig af en enkelt kvantebit i computerens hukommelse, og hvor fysikerne ved hjælp af radiobølger kunne påvirke atomkernerne og få bitværdierne til at ændre sig, som de skulle ifølge computerprogrammet.
Syv atomer er ikke nok
I stedet for at benytte syv atomer, som er komponenter i det samme molekyle, foregår der eksperimenter, bl.a. ved Aarhus Universitet, som arbejder med atomare fælder, hvor man fange et større antal atomare partikler. Andre steder i verden studeres mikroskopiske kredsløb, små bevægelige fjedre eller krystaller med urenheder, der på tilsvarende vis kan håndtere et variabelt antal mikroskopiske kvantesystemer.
Så kan man i teorien lagre et tilsvarende stort antal bits, og hvis man har adgang til at styre partiklerne og deres indbyrdes vekselvirkninger, kan man også udføre en sekvens af elementære operationer, som tilsammen udgør en fuld beregning, ligesom de enkelte bits håndteres og kombineres i en almindelig computer.
Det er en stor teknisk udfordring at fange mange mikroskopiske partikler og sikre sig, at deres flertydige kvantetilstande udvikler sig præcist som en beregning foreskriver. Og det er her, vi kommer med et nyt forslag, som gør op med de gængse ideer om, hvordan en kvantecomputer skal bygges.
Kvantebits skal lagres i milliarder af atomer
Først og fremmest opgiver vi tanken om, at den enkelte bit skal lagres i en enkelt partikel. I stedet skal computeren benytte materialer med milliarder og atter milliarder af ens partikler, som tilsammen deles om lagringen af hver enkel bit.
På en overflade, hvor der er monteret en ganske lille radioantenne, anbringes et materiale med en lav koncentration af bestemte atomer, som kan optage strålingsenergi fra radiosignalet, som udgår fra antennen. Den mindste energipakke af stråling kaldes en foton, og hvis antennen udsender en enkelt foton, kan atomerne absorbere den.
Den foreslåede fysiske opstilling består af en antenne (lilla), som er få centimeter lang og få mikrometer bred (figuren er ikke tegnet til skala). Omkring antennen står et strålingsfelt, som kan absorberes af de mange atomer (grønne), som er vist som kvælstofatomer indlejret i foldboldmolekyler af 60 kulatomer.
Et enkelt atom ville kun kunne absorbere strålingen med en meget lille sandsynlighed, men fordi der er så mange atomer, kan man være sikker på, at fotonen på blot en milliardtedel af et sekund vil forsvinde ind i atomerne.
Energien af en enkelt foton aflejres kun i et enkelt atom, men fordi kvantemekanikkens love gælder, vil det ikke være i et bestemt blandt de mange atomer. I stedet vil fotonens energi blive absorberet kun i det første atom og kun i det andet og kun i det tredje og så videre. Helt og fuldt, flere steder på en gang.
Alle gæsterne griber brudebuketten
Det er ikke nemt at forstå, men lad mig forsøge med et billede:
Når en nygift brud smider sin brudebuket over skulderen, er der stor chance for, at den bliver grebet, hvis der er mange håbefulde ugifte gæster med til festen. Hvis man kunne købe en kvantemekanisk buket, som kan være flere steder på en gang, vil den også blive grebet med stor sikkerhed, men nu ville vi have den vilde situation, at den ville være grebet fuldt og helt af en enkelt person, men at det på samme tid ville være alle personer i lokalet.
Strålingen er i forslaget også selv en kvantebit, idet der kan være både en foton og ingen foton i feltet fra antennen, svarende til tallene 1 og 0. Når strålingen absorberes, får man altså en kollektivt lagret energi eller ingen energi, som er kvantebitkodningen i materialet. Hvis man skal håndtere flercifrede tal i større kvanteberegninger, skal man lagre flere bits i materialet på samme tid, og til det formål foreslår vi at bruge mønstre, der udstrækker sig over hele materialet.
Denne form for rumlig lagring i et materiale er kendt fra hologrammer, hvor man i et optisk materiale skriver et mønster, som ved belysning sender lysstråler ud, der skaber illusionen af et tredimensionelt billede udenfor selve materialet.
I vores tilfælde, hvor en enkelt foton er absorberet med lige stor vægt af alle atomer i vores materiale, vil vi på det enkelte atoms plads lave en slags drejning, hvis variation gennem materialet er karakteristisk for hver enkelt bit, vi ønsker at lagre.
Så skal der danses
Går vi tilbage til eksemplet med brudebuketten, kan vi forestille os en hel balsal med gæster, hvor en gæst eller en anden eller en tredje var heldig og fik buketten (hvis der var en). Der bliver danset til bryllupper, og toastmasteren giver nu den instruks, at hvis man holder en buket, skal man lave en piruet, altså dreje sig om sig selv, men med en hastighed, som er størst i den ene ende af lokalet og mindst i den anden.
Den kastede buket vil altså nu være i hånden på gæster, som er drejet i alle mulige retninger. Ind kommer en ny brud (meget speciel fest!) med en ny buket (eller ingen, fordi det er en kvantebuket), som hun kaster.
Da alle på nær én person, som allerede har en buket, stadig vender front imod brudeparret, bliver den næste buket også grebet sikkert. Igen instrueres buketholderne i at dreje sig, og en ny brud med en buket kommer ind og en ny og en ny...
Buketten skal kastes tilbage igen
Til sidst har vi fået kastet et større antal buketter (og ikke-buketter) til flokken på gulvet - idet vi dog antager, at der er rigtigt mange flere gæster, end der er kastede buketter. Hvis vi gerne vil have en bestemt buket tilbage, for eksempel den tredje, ved toastmasteren, hvornår den blev kastet ud, og derfor også, hvor mange snurreture, den buket har taget med gæsterne forskellige steder i salen. Han beder alle på gulvet med buketter i hånden om at dreje sig baglæns med præcist det antal snurreture.
Dermed vil netop gæsterne, der holder den tredje buket (der er kun én eller måske ingen, men den er fordelt ud over alle gæster på gulvet), alle vende front mod ærespladsen, mens gæsterne, der greb de andre buketter, har front i alle mulige retninger.
På samme måde som mange gæster griber buketten meget mere sikkert end en enkelt, vil en instruks om at kaste buketten op til toastmasteren have meget større effekt, hvis alle samtidige holdere af buketten vender ansigtet den rigtige vej, og kun buketten der således 'kastes i takt', vil faktisk blive kastet, mens de øvrige buketter end ikke vil forlade hænderne på gæsterne, der vender i forskellige retninger.
Gæsterne er atomer
Physical Review Letters er ikke et bryllupsmagasin, og vores artikel omtaler naturligvis hverken brudebuketter eller eksotiske danse, men giver et mere teknisk brugbart forslag.
I vores forslag til en kvantecomputer er den kastede brudebuket fotonen, som tilfører sin energi til et atom (en bryllupsgæst), idet en lille magnet i form af det såkaldte elektron-spin i atomet skifter retning. Toastmasteren, der styrer dansen, er et magnetfelt, som tændes og varierer hen over materialet, så elektron-spinnet i den ene ende drejer sig hurtigere end i den anden ende af materialet.
Kun når spin-retningen på de mange atomer er parallelle, vil de stråle i takt og sende fotonen tilbage til antennen.
Artiklen beskriver derefter nøje, hvordan og hvor hurtigt man kan lave de nødvendige operationer på en enkelt og flere bits, så man kan køre et helt computerprogram. Specielt vurderes det, at man vil kunne lave beregninger med flere hundrede og måske endda tusinde bits og dermed langt overgå de demonstrationsforsøg, der hidtil er lavet af kvantecomputing.
Fra teori til praksis
En vittig talemåde siger: "I teorien er teori og praksis det samme, men i praksis viser det sig tit at være noget helt andet". Hvordan går det med at udføre det beskrevne forsøg og konstruere den kollektive kvantecomputer?
Teknikken med de små antenner, der kan udsende enkelte fotoner, er udviklet på Yale, og de forskere fra Oxford, som er medforfattere på artiklen, er førende i produktionen og analysen af materialer med mange elektron-spin. Til at følge op på den teoretiske artikel, har vi derfor indledt et samarbejde om at udføre eksperimentet i praksis.
I Oxford har man således allerede vist, at de varierende magnetfelter henover materialet kan benyttes til at kode mere end hundrede forskellige svage radiosignaler i kollektive mønstre og udlæse dem igen i den ønskede rækkefølge. På Yale har man lavet indledende forsøg med antenner og forskellige spin-materialer.
Man har endnu ikke kastet buketten, og set den blive grebet, men man har set, at materialet er stærkt koblet til fotonen, som om gæsterne med kollektiv styrke har trukket buketten halvt ud af hånden på bruden.
I Århus følger vi op på denne forskning med forslag til, hvordan fejl og mangler kan udbedres bedst muligt. Samtidigt er eksperimentelle forskningsgrupper i Frankrig, Østrig og Schweiz begyndt på forsøg på at lave den kollektive computer, så et lille kapløb er skudt i gang.
