Fysikere fra Københavns Universitet har gjort en ny dansk landvinding inden for kvanteteknologi. De har demonstreret, at de simultant kan styre flere spin-qubits på samme kvantechip, og dermed har de overvundet en grundlæggende forhindring på vejen mod fremtidens supercomputer. Resultatet lover godt for brugen af halvledende materiale som platform for kvantecomputere.
En af de store hovedpiner i det globale marathon om at bygge en stor, funktionel kvantecomputer er, hvordan man kontrollerer mange af de basale hukommelsesenheder, de såkaldte qubits, på samme tid. Udfordringen er, at styringen af én qubit typisk bliver negativt påvirket, når man samtidig tilfører elektriske kontrolpulser til en anden qubit. Men den forhindring er det nu lykkedes at overvinde for to unge kvantefysikere fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet – 31-årige Anasua Chatterjee og 29-årige Federico Fedele – der begge arbejder i Ferdinand Kuemmeths forskningsgruppe.
Rundt om i verden bliver der forsket i qubits baseret på forskellige teknologier. Mens Google og IBM er kommet et godt stykke med kvanteprocessorer, der bygger på superleder-teknologi, satser KU-forskergruppen på halvleder-qubits – såkaldte spin-qubits.
– Groft sagt består spin-qubits af elektronspin, der er fanget i halvledende nanopartikler kaldet kvanteprikker, som gør, at man kan styre spin-tilstandene og sammenfiltre dem med hinanden, forklarer postdoc Federico Fedele.
Spin-qubits har den fordel, at de kan bevare kvantetilstanden i lang tid. Det gør, at de potentielt kan lave hurtigere og mere fejlfri beregninger end andre typer platforme. Og så er de så ekstremt små, at man kan klemme mange flere af dem sammen på en chip, end man kan med andre slags qubits. Jo flere qubits, desto større regnekraft får computeren.
Hidtil har det største fokus i kvanteteknologi været på at fremstille bedre og bedre qubits. Nu handler det om at få dem til at kommunikere med hinanden, forklarer adjunkt Anasua Chatterjee:
– Nu hvor vi har nogle ret gode qubits, er ‘the name of the game’ at få dem forbundet i kredsløb, der dels kan styre mange qubits, og samtidig er komplekse nok til at kunne rette fejl i kvanteberegningerne. Der, hvor forskningen inden for spin-qubits er nået til, er kredsløb med rækker af 2×2 eller 3×3 qubits. Problemet er, at man kun han håndtere dem én ad gangen.
Og det er her, at de unge kvantefysikeres nye chip, som er fremstillet af det halvledende stof galliumarsenid og på størrelse med en bakterie, gør forskellen. Ved at fabrikere en chip, hvor man kan kontrollere fire spin-qubits i en række af 2 x 2, har KU-forskerne rykket standarden på forskningsfeltet.
– Det nye og virkelig vigtige ved vores chip er, at vi kan betjene og måle fire qubits på samme tid. Det har man aldrig demonstreret før med spin-qubits – og heller ikke med mange andre typer qubits, siger Anasua Chatterjee, som er den ene af de to hovedforfattere til studiet, der er publiceret i tidsskriftet Physical Review Quantum.
Netop det simultane er afgørende for at kunne lave kvanteberegninger. For når man ved slutningen af en beregning skal foretage målingen af qubits’ene – det vil sige, at man standser systemet for at få resultatet – kollapser de skrøbelige kvantetilstande. Derfor er det afgørende, at målingen sker synkront, så kvantetilstandene i samtlige qubits lukkes ned samtidigt. Måler man qubits’ene én efter én, kan den mindste støj fra omgivelserne nå at ændre den kvanteinformation, man har i systemet.
Ifølge forskerne er det nye kredsløb en milesten på vejen mod en kvantecomputer baseret på halvledere.
– For at få mere kraftfulde kvanteprocessorer er vi ikke kun nødt til øge antallet af qubits, men også antallet af simultane operationer, og det er lige præcis, hvad vi her har gjort, siger professor Ferdinand Kuemmeth.
Lige nu er en af de væsentligste udfordringer, at chippens 48 kontrolelektroder skal tunes manuelt og løbende holdes tunet på trods af støj fra omgivelserne, hvilket er en uhyre svær opgave for et menneske. Derfor er forskerholdet ved at se på, hvordan de kan bruge optimeringsalgoritmer og machine learning til at automatisere tuningen. Desuden er forskerne begyndt at samarbejde med industrivirksomheder om at fabrikere den næste generation af kvantechips med endnu længere rækker af qubits.
Om qubits:
Hjernen i den kvantecomputer, som forskere stræber efter at bygge, vil bestå af en masse rækker af qubits, som svarer til de bits, der sidder på mikrochippen i ens smartphone, og som udgør maskinens hukommelse. Den berømte forskel er, at hvor en almindelig bit enten kan lagre data i tilstanden 1 eller 0, kan en qubit være i begge tilstande samtidigt – den såkaldte kvantemekaniske superposition – hvilket gør kvantecomputerens regnekraft meget større.
Om chippen
De fire spin-qubits i chippen er fremstillet af det halvledende materiale galliumarsenid. Midt imellem de fire qubits sidder en større kvanteprik, som forbinder de fire qubits med hinanden, og som forskerne kan bruge til at tune samtlige qubits med simultant.
Kontakt:
Anasua Chatterjee, Center for Quantum Devices – Niels Bohr Instituttet, mail: anasua.chatterjee@nbi.ku.dk
