Fysikere fra Københavns Universitet har som del af universitetets samarbejde med Microsoft muligvis løst en gordisk knude i udviklingen af kvantecomputeren. De har i partnerskab med forskere fra University of Chicago, ETH Zurich, Weizmann Institute of Science og Microsoft Quantum Lab på Purdue University bygget en særdeles lovende byggeklods til fremtidens supercomputer: en todimensionel platform for kvantebits, der både er stabile og mulige at masseproducere.
Med de to unge fysikere Antonio Fornieri og Alex Whiticar i spidsen superviseret af Charles Marcus, professor og centerleder på Microsoft Quantum Lab Copenhagen, har et forskerhold på Center for Kvanteelektronik (QDev) under Niels Bohr Instituttet designet og bygget en nøglekomponent, som ser ud til at kunne løse en gordisk knude i udviklingen af effektive kvantecomputere: Nemlig at bygge en kvantebit – også kaldet qubit – der både er beskyttet mod forstyrrelser, og som nemt kan masseproduceres. Resultatet er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature.
Holdet har påvist de særlige Majorana-partiklers kvantetilstande i en såkaldt Josephson-diode. Josephson-dioden er en del af en kompleks chip, der består af en hybrid mellem superledende og halvledende materialer fremstillet af forskergruppen fra Microsoft Quantum Lab på Purdue University. Chippen forventes at være en vigtig komponent i udviklingen af topologisk kvanteinformation. Og den nye opdagelse åbner op for muligheder, som forskerne ikke før har haft.
“En kæmpe fordel ved vores komponent er, at man kan masseproducere den. Vi kan designe et stort kompliceret system af kvantebits på en helt almindelig laptop og så få det fabrikeret med den gængse teknik, man bruger til at lave kredsløb til almindelige computere med,” siger hovedforfatter og postdoc Antonio Fornieri fra Center for Kvanteelektronik (QDev).
Majorana-kvantetilstande er fundamentet for den type kvantecomputer, som udvikles i et samarbejde mellem studerende, ph.d’ere, postdocs og medarbejdere fra Microsoft Quantum Lab Copenhagen på Niels Bohr Instituttet. Denne kvantetilstand har nemlig en særlig egenskab, som beskytter den mod forstyrrelser udefra og derfor gør den stabil i længere tid end andre slags kvantetilstande. En af de største udfordringer for forskerne rundt om i verden er netop at udvikle en kvantebit, der er stabil nok til, at computeren kan nå at udføre komplicerede beregninger, inden kvantetilstanden forsvinder, og den lagrede information i bitsene går tabt.
I løbet af det seneste årti har forskerne formået at frembringe Majorana-partikler i laboratoriet ved at gøre brug af halvledende nanotråde forbundet med superledere placeret i et stort magnetfelt. Nanotråde egner sig dog ikke til at opskaleres til kvanteteknologi i fuld størrelse, fordi man er nødt til møjsommeligt at samle de mikroskopiske tråde op med en nål og flytte dem én ad gangen fra et underlag til et andet og derefter flette dem sammen til et netværk. Og da det kræver tusindvis af bits at fremstille en kvantecomputer, ville det være en ekstremt vanskelig proces. Derudover kræver nanotråde høje magnetfelter for at fungere. Den nye platform erstatter nanotrådene med en komponent, der har en flad form, som er nemmere at håndtere, og som kræver lavere magnetfelter for at opnå Majorana-tilstande.
“Vores prototype er et stort første skridt hen imod at bruge denne type system til at lave kvantebits, der er beskyttet mod forstyrrelser. Lige nu mangler vi stadig en smule finpudsning – vi kan stadig forbedre designet og materialerne, men potentielt er det en perfekt struktur, vi står med,” siger Antonio Fornieri.
Det todimensionelle system har endnu en væsentlig fordel, påpeger ph.d-studerende Alexander Whiticar:
“Vores komponent har et ekstra kontrolparameter i form af en superledende faseforskel, hvilket gør det muligt at styre tilstedeværelsen af Majorana-tilstande i et helt system af kvantebits samtidigt. Det er ikke set før. Derudover har dette system brug for et meget lavere magnetfelt for at opnå majorana-tilstandene. Det vil gøre det væsentlig lettere at fremstille kvantebits i store mængder.”
Charles Marcus tilføjer: “At gå fra en endimensionel nanotråd til en todimensionel struktur har åbnet op for mulighederne. Denne komponent er den første ud af mange fordele, vi kan forvente, så snart topologiske strukturer kan kopieres med en præcision på 10 nanometer-skala. Så bliv hængende.”
Gennembruddet understreger produktiviteten af det samarbejde mellem Københavns Universitet og Microsoft, som blev etableret i 2017. Samarbejdet blev blot intensiveret og udvidet med åbningen af Microsoft Quantum Lab Copenhagen i 2018, som har trukket talenter til sig fra såvel Københavns Universitet, DTU og rundt omkring i Europa.
Michael Manfra fra Microsoft Quantum Lab group på Purdue University opsummerer:
“Det tætte samarbejde mellem Microsofts Quantum-laboratorier har resulteret i en lovende ny platform, hvorfra man kan observere og kontrollere Majorana-nultilstande. Og det gør det spændende, at denne metode er potentielt skalerbar.”
FAKTA:
· Niels Bohr Instituttet er blandt verdens førende inden for kvanteforskning. Antonio Fornieri (postdoc) og Alexander M. Whiticar (ph.d.-studerende) er ansat gennem samarbejdet mellem Københavns Universitet og Microsoft Quantum Lab Copenhagen. Samarbejdet fokuserer på at udvikle en topologisk kvantecomputer. Charles Marcus er centerleder på Microsoft Quantum Lab Copenhagen og professor på Niels Bohr Institutet.
· Topologisk betyder i denne sammenhæng, at disse kvantebits, også kendt som qubits, har unikke egenskaber, som beskytter dem mod de typer af fejl, som påvirker de øvrige eksisterede metoder, der bruges til at bygge kvantecomputere med. En topologisk bit vil gøre kvantecomputeren mere robust og stabil end de konkurrerende teknologier, men den er også mere vanskelig at realisere.
· En kvantecomputer er baseret på kvantemekanikkens love og forventes at have en helt usædvanlig regnekraft. I nogle tilfælde vil den i løbet af få minutter kunne lave beregninger, som vil tage en traditionel computer århundreder.
· Hvor almindelige bits i traditionelle computere består af enten 0- eller 1-taller, kan kvantebits være 0 og 1 samtidig. Denne tilstand kaldes en superposition, og det er den, der vil gøre det muligt for computeren at lave hidtil usete beregninger.
· Forskningsresultatet understreger fordelene ved og produktiviteten af det offentlig-private partnerskab, der også involverer Microsoft-ansatte på Microsoft Quantum Lab Copenhagen, Microsoft Quantum Lab – West Lafayette på Purdue University, University of Chicago, ETH Zurich og Weizmann Institute of Science i Israel. Forskningen er støttet af Microsoft, Danmarks Grundforskningsfond, Villum Fonden, ERC Project MUNATOP, CRC-183 og Israeli Science Foundation.
· Center for Kvanteelektronik (QDev) på Niels Bohr Institutet er finansieret af Danmarks Grundforskningsfond.
