Her jagter forskerne nøglen til kvantecomputeren

Mandag morgen kl. 8.30 er der tomt på Center for Quantum Devices, som er en del af Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet beliggende på Nørre Campus ved Nørre Allé.

I rum 416 på 4. sal finder jeg dog Lucas Casparis alene i det kontor, han deler med 4-5 andre forskere.

Han fortæller, at han i modsætning til så mange andre forskere på laboratoriet gerne møder tidligt, hvor der er ro.

På centret, som ledes af den amerikanske professor Charles Marcus, forsker man i at skabe, kontrollere, måle og beskytte de beslægtede fænomener kvantekohærens og entanglement i enheder baseret på halvlederelektronik.

Kvantekohærens er betingelsen for, at en kvantecomputer kan have en beregningsfordel i henhold til en klassisk computer, og entanglement spiller bl.a. en afgørende rolle inden for kvantekryptering og kvanteteleportation. Det er begreber, vi mere indgående vil behandle i de næste artikler i denne serie.

Hvis det lykkes forskerne at overvinde disse udfordringer, kan man skabe en kvantecomputer med en voldsom regnekraft.

Centret støttes med store bevillinger fra både offentlige og private danske fonde samt Microsoft og er verdensledende inden for forskning i såkaldte topologiske kvantebits, som er en af de lovende kandidater til brug i en kvantecomputer.

Lucas Casparis er schweizer og ph.d. fra universitetet i Basel i 2015 med et studie af kvanteeffekter i nanostrukturerede materialer. Det seneste halvandet år har han været postdoc i København, hvor man fremstiller kvantebits ud fra nanorør af indiumarsenid coated med aluminium.

Vejen til automatisering

Nanorørene har typisk en tykkelse på op til ca. 150 nm og en længde på nogle få mikrometer. Eksperimenter med nanorørene foregår ved temperaturer meget tæt på det absolutte nulpunkt, hvor aluminium er superledende.

Forskerne råder over et stort antal målestationer – sandsynligvis flere end noget andet universitet i verden – hvor dette foregår.

Centret har opnået et forsknings­mæssigt gennembrud ved at fremstille disse nanotråde med helt perfekte overgange fra halvledermaterialet i midten til den omkringliggende coating. I en artikel i Nature i foråret viste forskere fra centret, at elektroner i disse tråde danner en konfiguration – eller en kvasipartikel – der kan give en meget stabil kvantebit.

Nyt i dit PLUS-abonnement: Radar er techs politiske forsamlingshus

Fra Radar

I dag producerer man nanotrådene separat, hvorefter man med møje og besvær placerer dem på en chip lige præcis der, hvor man ønsker, de skal være.

Denne form for håndarbejde kan naturligvis ikke bruges, hvis man på et tidspunkt ud i fremtiden skal lave kommercielle kvantecomputere.

Lucas Casparis’ forskningsprojekt går ud på at finde et materiale og en metode, så man kan dyrke disse nanorør på stedet, så man får en proces, der kan automatiseres som i konventionel halvlederproduktion.

I forhold til at bygge en kvante­computer kan det lyde som et mindre problem. Den dag, man har fundet opskriften, vil det blot stå som en parentes i forskningen, men lige her og nu er det afgørende for at komme videre.

Lucas Casparis ved godt, hvordan man kan få nanorørene til at gro på små chips af de rette materialer, men det er endnu ikke lykkedes ham at fremstille disse chips, så de er anvendelige til formålet.

Ætsningen driller

Generelt består enhver form for chipproduktion af processer som deponering, belysning og ætsning.

Lige nu er det ætsningen, der giver problemer. Den er simpelthen ikke god nok på de materialer, som er velegnede til at dyrke nanorørerne på. Lucas Casparis har en formodning om, at han ved at deponere et elektrisk ledende polymerlag oven på det sædvanlige polymerlag kan opnå en bedre ætsning.

Det er dagens opgave at teste denne hypotese. I løbet af formiddagen arbejder han med at fremstille og undersøge små prøver, hvoraf nogle skal have det elektrisk ledende lag påført og andre ikke.

Sponseret indhold

Når Hasse trækker i kedeldragten, kan du være sikker på, at han er i gang med at optimere fabriksgulvet

Smart Factory

Meget af dagens arbejde er noget, som en laborant i princippet lige så godt kunne udføre og endda måske mere effektivt. Men det er vigtigt, at forskeren selv har fingrene nede i opgaven, og da der ikke står en kø af teknikere og laboranter til rådighed, må Lucas Casparis selv udføre det noget trivielle arbejde.

Hele formiddagen arbejder han helt alene i laboratoriet med at fabrikere og undersøge prøverne. Ved halv tolv-tiden er han som forventet færdig.

Kvart i tolv, før frokost, mødes han med de andre forskere i sin gruppe til et kort møde, som det sker hver dag. Her beretter han om sit arbejde og sine planer. Det samme gør de andre forskere for deres beslægtede projekter, og der er en lille diskussion omkring, hvordan man kan komme videre.

Efter frokost tager Lucas Casparis sine prøver med bussen til DTU i Lyngby for at benytte avanceret udstyr i renrummet på Danchip til ætsningen. I forvejen havde han via DTU’s Labmanager bestilt tid til sine undersøgelser – til en timepris af 650 kr. i dette tilfælde.

Hent Profilanalysen og årets ranglister

Profilanalysen 2023

Dagen efter sender han mig en mail med bemærkningen:

»Desværre virkede tricket med den ledende polymer ikke, det er stadig en meget rodet ætsning«

Denne dag kommer han ikke videre. Men det slog ham ikke ud. Da jeg efterfølgende kommunikerer med ham omkring billeder til denne artikel, tilføjer han kort i en mail.

»Forresten fandt jeg en metode til ætsning af meget tynde linjer på en meget ren måde.«

Viljen til ikke at give op er helt afgørende.

I kælderen på DTU

Ugen efter er jeg på besøg på DTU Fysik i professor Ulrik Lund Andersens forskningsgruppe for kvante­fysik og informationsteknologi.

Postdoc Ulrich Busk Hoff har lovet at vise mig rundt i laboratorierne, hvor man arbejder med kvanteoptik i forbindelse med bl.a. kvantekryptering og kvantesensorer til måling af magnetfelter.

»Jeg tror, du skal komme op ad formiddagen – måske fra kl. 10, hvis det er o.k. med dig? Det er ikke alle i gruppen, der starter fra morgenen af,« skrev han i en e-mail. Mange DTU-forskere har samme arbejdsrytme som på Københavns Universitet.

Efter at have talt om gruppens aktiviteter med både Ulrik og Ulrich på kontorerne på anden sal, går jeg sammen med Ulrich Busk Hoff ned i kælderen, hvor DTU Fysiks kvanteoptiklaboratorier befinder sig. Sammen går vi gennem en lille sluse. Jeg finder et par blå skoovertæk, og ifører mig en renrumskittel.

Det er ikke alle eksperimenter, der stiller krav om dette, men de mest avancerede eksperimenter er særligt følsomme, uden at de dog foregår under egentlige renrumsbetingelser, som jeg oplevede ved besøget hos Lucas Casparis – hvor sko og kittel ikke var nok, men også hårnet og handsker hører til standardudstyret.

Gæster slipper dog for hårnet og handsker, men forskere, der arbejder med eksperimenterne, skal iføre sig hele udstyret.

Eksperimenter med klemt lys

Det er særligt eksperimenterne med klemt lys, der er følsomme, forklarer Ulrich Busk Hoff.

»Hvis der er støv i luften eller på optikken, taber vi en lille smule af lyset, og så reduceres kvanteeffekterne betydeligt.«

Klemt lys er en særlig tilstand af lys, hvor man kan flytte rundt på den usikkerhed, der er forbundet med Heisenbergs usikkerhedsrelation. Som mange sikkert ved, siger Heisenbergs usikkerhedsrelation, at der er knyttet en fundamental usikkerhed til at bestemme en partikels position og dens hastighed. Hvis positionen er godt bestemt, er hastigheden dårligt bestemt – og omvendt.

For fotoner betyder det, at der er en fundamental kvantestøj knyttet til bestemmelse af amplitude og fase. Ved at ‘klemme’ lyset kan man gøre fasestøjen mindre, end den normalt er, mod at øge amplitudestøjen.

Lampen indtil laboratoriet lyser rødt. Det betyder, at laseren er tændt, så Ulrich Busk Hoff banker pænt på døren. Vi tager beskyttelsesbriller på mod laserstrålingen, som ligger i det infrarøde område og derfor ikke er synlig. Postdoc Clemens Schäfermeier åbner og byder os indenfor, da han ikke lige i øjeblikket er ved at foretage en kritisk måling.

Læs også: Gør dig klar til kvanterevolution 2.0: Nu skubber forskerne til fysikkens love

Det ligner umiddelbart et sædvanligt optisk bord med masser af komponenter skruet ned i hullerne og med en laser i det ene hjørne. Egentlig ikke så væsentligt forskellig fra det, jeg har set så mange andre steder og selv for flere årtier siden har arbejdet med. Men det er nu ikke ofte, at man ifører sig renrumsudstyr i et optisk laboratorium.

Et års forberedelse

På den anden side af kældergangen i et helt mørkt rum arbejder postdoc Haitham El-Ella med at undersøge magnetiske egenskaber af diamanter med uperfektheder i form af et såkaldt nitrogen-vakancecenter (NV-center), som er et sted i krystallen, hvor der findes et nitrogenatom og en ledig plads fra et kulstofatom.

Elektronerne omkring NV-centeret er meget følsomme over for udefrakommende forstyrrelser som eksempelvis magnetiske felter. Lys, der udsendes fra systemet, kan derfor bruges til at bestemme styrken af magnetfeltet med stor nøjagtighed.

Haitham El-Ella kan bruge hele dage i sit laboratorium og elsker at få en opstilling op at køre. Og hvis man skal være kvanteoptik-forsker, er det uden tvivl godt, hvis man kan lide huler, kan jeg konstatere.

Da Haitham El-Ella begyndte, var der et bart optisk bord og en generel idé om, hvordan opstillingen skulle bygges op. Hovedretningen for projektet lå klar, men undervejs er kursen justeret flere gange.

»Vi har ikke undervejs ændret kurs på 180 grader, men måske 45 grader,« siger Haitham El-Ella.

Efter mere end et års arbejde er han nu kommet så langt, at han kan begynde at foretage de egentlige målinger. Derefter skal der skrives en videnskabelig artikel. Det er forskningsprocessen i en nøddeskal.

I et laboratorium ved siden arbejder Nitin Jain på at etablere et forsøg med kvantekryptering baseret på optiske fibre frem for lysudbredelse gennem frit rum styret af diskrete komponenter.

Fibre har mange fordele frem for diskrete komponenter, men tab i fiberen og koblingstab ind og ud af fibre er problemer, der skal tages højde for.

Han vurderer, at der ligger nogle måneders indsats forud, før første fase af opstillingen er på plads.

Tålmodighed er en også en dyd for en god postdoc.