Udviklingen af en avanceret kvantecomputer er et mål for mange forskere. Vejen til målet er dog fyldt med mange trædesten.

Det gælder bl.a. antallet af qubit, som en kvantecomputer kan håndtere. På dette område kommer den unge fysiker Jacob Friis Sherson fra Aarhus Universitet med et helt nyt bud på, hvordan antallet af qubit kan øges markant.

”Andre forskere - inklusive flere nobelprismodtagere - der har hørt om vores arbejde har sagt, at de er overraskede over, hvor langt vi er kommet,” siger han.

En kvantebit eller qubit befinder sig samtidig i to kvantetilstande, 0 og 1. Det gør det muligt for kvantecomputere lynhurtigt at lave meget komplicerede beregninger – vel at mærke i de tilfælde, hvor det er muligt at udvikle særlige algoritmer, der kan udnytte denne overlegne beregningskapacitet.

Det er allerede vist at være tilfældet inden for brydning af de koder, som i dag anvendes til krypteret kommunikation over internettet.

Kvantespring i antallet af kvantebits
En kvantecomputers størrelse måles på antallet af qubit, den kan håndtere.

I dag har man enkle kvantecomputere med 5-6 qubit, som kan løse helt simple opgaver som at vise, at 15 er et sammensat tal af primtalsfaktorerne 3 og 5. Jo flere qubit man kan håndtere ad gangen, jo mere komplicerede beregninger kan man lave.

”I dag forsøger man at forbedre antallet af qubit en efter en. Vi arbejder direkte hen mod at kunne håndtere op til 300 qubit,” siger Jacob Friis Sherson fra Aarhus Universitet. Ordet ”vi” henviser i denne forbindelse til hans samarbejdspartnere ved Max-Planck-Institut für Quantenoptik i München.

Det er et helt nyt mikroskop, som Jacob Sherson og de tyske forskere har udviklet i samarbejde med Leica, der giver dem håb om senere at kunne lave beregninger med 300 qubits, hvor andre forskergrupper rundt omkring i verden kæmper med at lave beregninger med 7, 8 eller 9 qubit.

Mikroskopet beskrives i en ny forskningsartikel, som i dag offentliggøres i Nature. Med dette mikroskop beskriver forskerne, hvordan det nu for første gang er muligt at se de enkelte atomer i et såkaldt Bose-Einstein kondensat, når de er fanget i et optisk gitter, som kontrolleres af to lasere.

Det fremgår ikke direkte af artiklen i Nature, men forskerne har faktisk som et sideresultat sat en ny verdensrekord.

”Vi har målt den hidtil laveste temperatur i en krystal på kun 4 nanokelvin – altså fire milliardtedele af en grad over det absolutte nulpunkt,” fortæller Jacob Sherson.

Det er en temperatur, der er tre gange lavere end det, som andre forskere har opnået.

Teknologidrevet grundforskning
Det er en form for teknologidrevet grundforskning, der er udført.

Det er nemlig velkendte teorier og metoder, som er benyttet til først at fremstille et såkaldt Bose-Einstein kondensat med op til et par tusinde rubidium-atomer.

Atomerne i en Bose-Einstein kondensat befinder sig i samme kvantetilstand, så de optræder som en diffus tynd pandekageformet atomsky, som først og fremmest er karakteriseret ved atomernes bølgeegenskaber. Bose-Einstein kondensater bruges i øvrigt også til en lang række andre spændende fysikforsøg, som eksempelvis Lene Vestergaard Haus banebrydende forsøg med ’langsom’ lys.

Ved at belyse denne atomsky med to lasere vinkelret på hinanden dannes et optisk gitter i atomskyen med periodicitet på 532 nm – det halve af laserbølgelængden på 1064 nm.

Energimæssig bliver der herved dannet brønde, som atomerne gerne vil placere i – lidt på samme måde som om de tvinges ned i en æggebakke, hvor de ligger godt fastlåst. Nu kan man pludselig se de enkelte atomer i skyen – partikelnaturen træder frem på bekostning af bølgenaturen.

Når atomerne er i fastlåste positioner, kan de stort set ikke bevæge sig, og temperaturen af atomkrystallen er derved ganske tæt på det absolutte nulpunkt.

Jacob Friis Sherson forklarer, at hvis man præcist og langsomt øger dybden af brøndene, kan man ved en form for selvorganisering opnå, at hver enkelt brønd fyldes med præcist et atom.

Det helt afgørende i det nye eksperiment er dog et nyt mikroskop udviklet i samarbejde med Leica. Med en fluorescens-teknik gør mikroskopet det muligt for første gang nogensinde at iagttage de enkelte atomer – og dermed også at kontrollere om alle brøndene er fyldt. Det er nemlig forudsætningen for, at atomkrystallen kan udnyttes som en kvantecomputer.

Temperaturen er afgørende
”I de seneste eksperimenter har vi observeret, at der er fejl i form af ufyldte huller i omkring en ud af hundrede tilfælde, når temperaturen er 4 nanokelvin,” siger Jacob Sherson.

Antallet af defekter afhænger eksponentielt af temperaturen. Hvis temperaturen falder med en faktor tre, mindskes antallet af defekter med en faktor 10. Og det burde være relativt enkelt for os at opnå, mener Jacob Sherson.

At have 300 atomer samlede i et optisk gitter er dog kun et første skridt mod en kvantecomputer. Næste skridt bliver at vise, at man kan manipulere atomerne enkeltvis og parvist, så de kan fungere som kvantegates i stil med de velkendte logiske gates, som kendes fra konventionelle computere.

Her vil mikroskopet også spille en afgørende rolle. I stedet for at lade mikroskopet se atomerne, kan man også bruge det ’baglæns’ og påvirke de enkelte atomer.

Det er forsøg, som Jacob Sherson sammen med sine tyske kollegaer snart tager fat på.