Gennembrud i udviklingen af fremtidens kvantecomputer

For første gang er det lykkedes forskere at påvise, hvordan de både kan gemme og hente information i atomers kvantemekaniske egenskaber.

Af Torben R. Simonsen 24. sep 2012 kl. 07.29

Fremstillingen af en egentlig kvantecomputer er kommet et stort skridt nærmere. Det er forskere ved det australske University of New South Wales, der har formået at gennemføre et forsøg, hvor et enkelt atom kan opføre sig som en transsistor og skifte mellem tilstandene tændt slukket - eller 1 og 0, om man vil.

Forskerne har i årevis arbejdet på muligheden for at fremstille en såkaldt kvantecomputer, hvor de kvantemekaniske egenskaber - at en elektron kan have to tilstande samtidig - kunne udnyttes til at lave endnu kraftigere og hurtigere computere. Et middel til at nå til en egentlig kvantecomputer er at kunne fremstille de enkelte bits, kaldet quBits, der skal indgå i en fremtidsmaskine. Endnu er forskerne langt fra målet, men de australske forskere har alligevel fået et gennembrud, når det gælder om at styre egenskaberne i de såkaldte quBits.

Forskerne har brugt fosfor som donoratom i forsøget og placeret det i en almindelig siliciumchip. Over atomet er placeret en række nanoelektroder med en diameter på 13 nanometer.

Kan læse og skrive information til kvantebit

Når man så sætter en lille strøm gennem elektroden oven over fosforatomet, vil det få en elektron til at hoppe over gabet og gå i spin om fosforatomet. Ifølge forskerne er dette initialiseringsstadiet, og quBit'en er i, hvad man vil kalde logisk 0. Når man så skal overføre information til quBit'en, udsættes den for mikrobølger - omkring 30 GHz - der vil få elektronens spin til at rotere fra bund til top. Men elektronen kan ikke forblive i spin om fosforatomet i topposition, og elektronen vil hoppe tilbage til mellemlaget med elektroner, der vil tænde transistoren, hvilket svarer til at kunne læse logisk 1.

»Det, vi har vist, er, at vi nu kan håndtere de to første stadier, der skal til i en kvantecomputer. Vi kan læse og skrive information til en enkelt kvantebit repræsenteret ved et kvantespin, og det tilmed med teknologi, der bruges i almindelige siliciumchips,« siger professor Andrea Morello fra University of New South Wales i en præsentation af forskningsgennembruddet.

Hvis man skal bygge en kvantecomputer i stor skala, skal der ifølge forskerne være fire forhold på plads. Først skal man være i stand til at kunne læse information fra en kvantumbit, samt være i stand til at skrive information til quBit'en. Derefter skal man kunne tage quBits parvist og foretage operationer mellem dem, og endelig skal man kunne transportere information rundt i kvantumprocessoren for at kunne gennemføre komplicerede udregninger.

»Der er et kapløb mellem forskellige tilgange til, hvordan en kvantecomputer kan komme til at fungere. Det fine ved dette forsøg er, at det tager udgangspunkt i en meget kendt fremstillingsmetode og nogle materialer, som vi i forvejen kender fra computerindsustrien, og som vi efterhånden har godt styr på, hvordan opfører sig, og så er det lykkedes dem at både kunne gemme og aflæse information omkring et enkelt atom, og det er ikke set før,« fortæller professor Klaus Mølmer fra Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet, der selv har arbejdet sammen med Andrea Morello.

Elektroner skal tale sammen

Han peger på, at selve fremstillingen af chippen med fosforatomerne formentlig er noget, som chipproducenterne forholdsvis nemt kan omstille deres maskiner til, og den anvendte elektrodeteknologi også minder om den måde, som elektroder trækkes i elektroniske kredsløb i dag.

»Udfordringen ligger i, om man kan få elektronerne til at 'tale' sammen. Om det er muligt at overføre information fra en elektrons spin til en anden, men også her er der gode muligheder, for det er meget tænkeligt, at et magnetfelt fra en elektron kan påvirke en anden elektron, der måtte befinde sig meget tæt på. Det vil formentlig også være muligt at frembringe en strøm på baggrund af magnetfelltet, der så kan transporteres rundt. Spørgsmålet er selvfølgelig, hvor præcist det er, og om man kan aflæse noget fra det,« fortæller professoren.

Klaus Mølmer peger desuden på, at selv om der her kun er tale om en enkelt quBit, er der på grund af quBits'ene specielle egenskaber med at kunne optræde i flere tilstande samtidig, kun brug for omkring 1.000 quBits i en videnskabelig computer, der vil have regnekraft nok til at matche de kraftigste computere i dag.

Forskernes arbejde er netop publiceret i det tidsskriftet Nature og forskninger er støttet af det amerikanske forsvars forskningsmidler og det australske forskningsråd for kvantecomputere og kommunikationsteknologi.