Gled deg! I denne reportasjen kan du lese om hvordan forskere ved Universitetet i Oslo bombarderer solcellepanel-lignende materialer for ? legge grunnlaget for det som kan bli fremtidens it-revolusjon: selveste kvantedatamaskinen. Den er fundamentalt annerledes enn dagens datamaskiner.
For ? henge med i svingene, og det vil jeg p? det varmeste anbefale deg ? gj?re, m? vi underveis dr?vtygge p? noen merkverdige fenomener i den kvantemekaniske verden. S? sett deg i godstolen, legg realfagsskrekken og ut?lmodigheten p? hattehyllen og nyt den nye, spennende verden som ?pner seg. Innen denne saken er ferdiglest, h?per jeg at du har latt deg begeistre av en merkelig verden som de f?rreste av oss kjenner til i dag.
La oss starte med det helt element?re. Du er kanskje blant de heldige som drasser rundt p? en b?rbar PC? Selv om den b?rbare PC-en din kan gjennomf?re flere milliarder regneoperasjoner i sekundet, er den ikke rask nok for de forskerne som m? gjennomf?re s? omfattende beregninger at det kan ta flere ?r p? en vanlig PC. En del l?ser problemene sine p? tungregnemaskiner, som er opptil ti tusen ganger raskere enn en vanlig PC, men noen av regneproblemene deres er likevel s? krevende at selv tungregnemaskinene m? melde pass.
i et materiale som best?r av et ordnet system med silisium-atomer (r?dt) og karbon-atomer (svart). Illustrasjon: Marianne Etzelmüller Bathen/Hanne Utigard.
Et eksempel er n?r nye nanomaterialer med helt bestemte magnetiske og elektriske egenskaper skal designes. Det er forferdelig krevende, noe vi kommer tilbake til. Et annet eksempel er ? knekke krypterte koder. Hvilken dr?m n?r etterretningsvesenet skal dekryptere hemmelige meldinger fra folk med onde hensikter!
– Vi har allerede n?dd grensen for hvor raske datamaskinene kan bli med dagens teknologi, forteller stipendiat Marianne Etzelmüller Bathen p? Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved Universitetet i Oslo.
Teknologene m? derfor tenke nytt. Bathen har n? tatt i bruk avanserte, matematiske beregninger og intrikate, nanotekniske eksperimenter for ? designe grunnlaget for fremtidens kvantedatamaskiner.
Kvantebits
Akkurat som dagens datamaskiner er satt sammen av bits, som enten kan ha verdiene 0 eller 1, blir kvantedatamaskinene bygd opp av kvantebits.
Med to bits f?r du de fire ulike kombinasjonene 00, 01, 10 og 11. Med tre bits har du ?tte ulike kombinasjoner, og med ?tte bits har du 256 ulike kombinasjoner. Du trenger derfor ?tte bits for ? kunne skille mellom 256 tegn. Dette er grunnpilaren i dagens datamaskiner.
Det betyr: En enkelt bit kan bare ha to ulike verdier. En kvantebit kan derimot ha et uendelig antall verdier.
– Du kan sammenligne en kvantebit med en pendel. I en pendel har du en tilstand p? venstre side og en p? h?yre side, men ettersom pendelen svinger frem og tilbake, har du ogs? mellomtilstander.
Det som er s? spesielt, er at du ikke vet hvor pendelen er. Selv om verdiene til kvantebitsene er usynlige, ja, du leste riktig, kan forskerne utnytte denne usynlige egenskapen til ? gj?re beregninger med enormt store tall med tusenvis av sifre.
? utnytte materialdefekter p? nanoniv? til ? lage kvantebits. Foto: Yngve Vogt
– Det rare med kvantemekanikken er at du ikke vet om du har en tilstand som er ?p?? eller ?av? eller noe ?midt imellom?, men du kan regne ut sannsynligheten for de ulike tilstandene. Dette er den enkleste forklaringen p? at kvantedatamaskiner kan v?re raskere enn vanlige datamaskiner. En kvantebit kan v?re p? og av p? samme tid. Eller noe midt imellom. Du har alt samtidig, forteller Bathen.
Jomfrustadiet
Den f?rste kvantedatamaskinen finnes allerede. IBM har en kvantedatamaskin med 20 kvantebits. Google planlegger n? en kvantedatamaskin med 72 kvantebits. Allerede med s? f? kvantebits skal den kunne regne raskere enn det verdens raskeste maskin klarer i dag.
En kvantedatamaskin med s? mye som 10?000 kvantebits kan gj?re underverker.
– Poenget med kvantedatamaskiner er ? bruke dem til ? l?se matematiske oppgaver som vanlige datamaskiner ikke klarer, slik som ? faktorisere store tall. De vil v?re spesielt gode til sannsynlighetsberegninger, poengterer Etzelmüller Bathen.
Kvantebits kan lages ved ? utnytte egenskaper i elektroner, atomkjernen eller lyspartikler. Denne Apollon-saken handler om hvordan elektroner kan brukes til kvantebits.
Jo kaldere kvantebitsene er, desto mindre beveger elektronene seg. Da er det lettere ? f? kontroll p? dem. For at disse kvantebitsene skal fungere, m? temperaturen derfor holdes s? lav som mulig. Her snakker vi om noe s? bitende kaldt som minus 270 grader. Det er bare noen grader over universets absolutte nullpunkt. Da er det ikke s? rart at disse kvantebitsene blir sv?rt dyre og vanskelig ? produsere.
Nanoteknologi-gjengen ved Universitetet i Oslo forsker n? p? om det er mulig ? lage billige kvantebits som ogs? fungerer i romtemperatur.
Hele ideen bygger p? forskningen til nylig avd?de professor Bengt Svensson p? Fysisk institutt ved UiO. Han har i en ?rrekke ledet en sv?r forskningsgruppe for ? designe verdens mest effektive solceller. Marianne Etzelmüller Bathen er en del av denne gruppen.
Den store utfordringen deres har v?rt ? finne frem til solceller med den mest optimale kombinasjonen av grunnstoffer. Alle eksperimentene skjer p? Mikro- og nanoteknologilaboratoriet, et hypermoderne laboratorium eid av UiO og Sintef.
Eksperimentene er naturlig nok ikke alltid like vellykket. Nanoforskerne har bommet en rekke ganger. Det er en del av forskningens natur. Da blir ikke materialene som de skal.
– F?r ble defekte materialer sett p? som d?rlige. N? utnytter vi disse feilene til ? lage noe som virker, forteller Bathen.
Det viser seg at en bestemt type defekt materiale med noen ?rsm? endringer kan fungere som innmaten i en kvantedatamaskin. Og med ?rsm? endringer mener vi noen sm? endringer helt nede p? atomniv?.
Kjent materiale
Mens de fleste solceller best?r av silisium ispedd noen andre grunnstoffer her og der, har Senter for materialvitenskap og nanoteknologi i en ?rrekke ogs? forsket p? silisiumkarbid.
Materialet er ikke giftig, brukes en del i elektronikk og er nesten like hardt som diamant. Det er smart; da g?r det ikke s? lett i stykker. Materialet er dessuten lett tilgjengelig.
– Industrien vet hva dette er, s? hvis silisiumkarbid skulle bli aktuelt til kvantedatamaskiner, er det lett for dem ? endre produksjonen, poengterer Marianne Etzelmüller Bathen.
En av hennes mange utfordringer er at materialet m? ha et helt bestemt b?ndgap. B?ndgapet sier noe om hvor mye energi som m? til for ? f? tak i elektroner.
Regelen er sv?rt enkel: Materialer uten b?ndgap leder str?m. Materialer med stort b?ndgap leder ikke str?m. Halvledere er materialer med et b?ndgap midt imellom. De leder bare delvis str?m.
Materialet hennes er bygd opp p? en helt bestemt m?te. Hvert av atomene har fire naboatomer. Atomene 澳门葡京手机版app下载er om elektronene mellom dem.
For ? lage kvantebits bombarderer hun materialet med protoner. N?r protonene kolliderer med atomer inne i materialet, har de noen ganger nok energi til ? dytte vekk atomer fra plassen deres.
– Ved ? styre hvor raskt jeg skyter inn protonene og hvor mange av dem jeg skyter inn, kan jeg bestemme hvor mange atomer som skal dyttes vekk. Jeg kan ogs? styre hvor dypt inne i materialet atomene skal fjernes.
Og det er her vi kommer til et viktig poeng.
Kvantebitsene hennes befinner seg i de tomme plassene der atomene er fjernet. Fysikerne kaller disse tomme plassene for vakanser, et fisefint ord for ?ubesatt? eller ?ledig?. Vakanser er alts? de omr?dene i et materiale som mangler atomer.
– Du kan sammenligne dette med ? g? i en hall med mange tykke stolper som holder taket oppe. Tenk deg at stolpene er atomkjerner og menneskene i hallen er elektroner. Menneskene m? naturlig nok g? mellom stolpene. Det blir mer plass der det mangler en stolpe. Da vil menneskene samle seg der.
Det er omtrent det som skjer n?r du fjerner atomer; det ledige omr?det vil trekke til seg elektroner. Og det er nettopp det som er poenget i en kvantebit.
I utgangspunktet er som sagt hvert atom bundet til fire andre atomer. Mellom to og to atomer er det fire elektronpar, alts? ?tte elektroner til sammen.
– N?r jeg fjerner ett atom, har jeg fire elektroner til overs. Disse fire elektronene blir lokalisert rundt den ledige plassen. Noen ganger kan den ledige plassen binde til seg enda noen elektroner, og noen ganger kan de ekstra elektronene forsvinne. Ved ? sette p? elektriske felt kan jeg bestemme hvor mange elektroner som skal v?re i den tomme plassen.
Og det som er s? ufattelig: Disse elektronene kan v?re en kvantebit.
I materialet hennes er annethvert atom silisium og annethvert karbon. Det betyr: Rundt hvert silisiumatom er det fire karbonatomer, og rundt hvert karbonatom er det fire silisiumatomer.
Selv om hun skyter ut b?de karbon- og silisiumatomer, er det bare de tomme silisiumplassene som fungerer som kvantebits.
Forklaringen er enkel. Silisiumatomer er tyngre enn karbonatomer. N?r man fjerner et karbonatom, vil silisiumatomene rundt dette karbonatomet flytte p? seg. Det p?virker energien i den tomme karbonplassen. N?r man derimot fjerner et silisiumatom, vil karbonatomene rundt dette silisiumatomet ikke flytte like mye p? seg. Da vil elektronene til den tomme silisiumplassen ha andre energier.
Sjeldent
Det er ikke mange tomme atomplasser i materialet hennes. For hver av de tomme atomplassene er det mer enn én milliard vanlige atomer.
– Vi kan faktisk ?snakke? til hver enkelt tomme atomplass ved ? sende laserlys inn i materialet mitt.
Kvantebitsene hennes har et helt spesielt optisk ?fingeravtrykk?. Det betyr at n?r hun sender laserlys inn i materialet, vil elektronene i den tomme plassen f? mer energi. N?r elektronene gir tilbake energien sin, vil de gi fra seg et lysfoton. Dette er lys med en helt spesifikk b?lgelengde.
– Hvert elektron sender bare ett lysfoton om gangen, og det er disse lysfotonene jeg leter etter.
Jeg kan da m?le om jeg har funnet en tom silisiumplass, se hvor mange elektroner som er der og hvilken energi de har. Det betyr at jeg kan snakke med og sende signaler til og fra hver enkelt kvantebit, og n?r de etter hvert snakker sammen, kan jeg p?virke hva de gj?r, poengterer Bathen.
Det at hun klarer ? finne en tom atomplass med laseren, er egentlig like utrolig som om hun skulle ha funnet frem til en helt bestemt person i Kina bare ved ? lytte etter stemmen hans.
Bathen har ogs? muligheten til ? m?le antall tomme atomplasser i materialet. Ved ? sette p? et magnetfelt kan hun styre hvilke fotoner, alts? lyspartikler, som de tomme atomplassene skal sende ut. Magnetfelt kan dessuten v?re n?kkelen til at kvantebitsene skal kunne snakke sammen.
Selv om Bathen ikke forsker p? ? sende informasjon mellom kvantebitsene, kan det likevel tenkes at kvantebitsene hennes p?virker hverandre.
– Jeg jobber med ? kontrollere hvor mange jeg klarer ? lage, og jeg pr?ver ? finne ut av hvor n?re de m? v?re for at de skal kunne snakke med hverandre, og hvor langt unna de m? v?re for at de ikke skal snakke sammen. Poenget er alts? ? kunne forst? hvordan kvantebitsene er plassert i forhold til hverandre og i hvilken grad de kommuniserer.
En av de store oppgavene hennes er ? se hvilken type hulrom hun har laget, hvor mange elektroner som er bundet til dem og tilstanden til elektronene.
Det skal vi forklare n?rmere. Som du leste tidligere i denne saken, kan en kvantebit v?re p? og av p? samme tid. Eller noe midt imellom. Samtidig.
For alle som ikke lever i den kvantemekaniske verden, h?res dette forferdelig rart ut. Hokuspokuset handler om at alle elektroner har en spinntilstand.
Spinntilstanden er usedvanlig viktig i kvantebitsenes verden. Forklaringen p? dette merkverdige fenomenet er spinnvill.
– Begrepet er ikke mulig ? forklare med klassisk fysikk. Spinn er en innebygd egenskap i elektroner, men spinn er likevel ikke en bevegelse. Elektroner kan ta to ulike typer spinn, opp eller ned. Selv om dette er en matematisk idé, kan vi forenklet si at elektroner roterer rundt sin egen akse, men rotasjonen er likevel annerledes enn i den rasjonelle verden.
Elektroner m? rotere to ganger rundt sin akse for ? komme tilbake til utgangspunktet. Elektroner har spinn b?de n?r de g?r rundt kjernen og rundt sin egen akse.
Superposisjon
Et enkelt elektronspinn kan alts? ha verdien opp eller ned eller noe midt imellom. Denne verdien kalles en superposisjon.
nyttig for ? kunne spesialdesigne materialer med helt bestemte magnetiske egenskaper ved ulike temperaturer. Foto: Yngve Vogt
– Det rare med elektronspinnet er at det likevel bare kan observeres med de to ulike verdiene, opp eller ned. Opp og ned kan representeres med tallene 0 eller 1. Det betyr at uansett hvilken tilstand elektronspinnet har, vil spinnet, n?r det m?les, bare gi svarene 0 eller 1. Begge tilstandene er til stede inntil tilstanden m?les. S? selv om informasjonen er der, er den ikke fullt tilgjengelig for oss. Det gj?r det vanskelig ? m?le hva som skjer n?r en kvantedatamaskin jobber. Den fungerer s?nn sett helt annerledes enn hva man er vant til ? tenke om en klassisk datamaskin, forteller professor i kvantefysikk, Joakim Bergli p? Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.
Han p?peker at det ikke er mulig ? hente ut all informasjon i kvantedatasystemer.
– Det er noe av hemmeligheten, men du kan likevel l?se dette om du gj?r det riktig. I teorien kan man faktisk f? uendelig mye informasjon i en kvantebit.
For ? illustrere problemet med hvordan du kan avsl?re verdien i en kvantebit, kan du gjennomf?re et tankeeksperiment. Tenk deg at du har en tildekket boks, der du legger inn tre tall etter hverandre. Hvert av de tre tallene er 0 eller 1. Det betyr at du kan legge inn de ?tte mulige kombinasjonene 000, 001, 010 og s? videre til 111. Boksen spytter ut et tall avhengig av hvilke tall som kommer inn.
– S? sier jeg til deg: Jeg vet hvordan denne boksen virker, men vil ikke dele hemmeligheten med deg.
Du m? alts? selv finne ut av hva boksen svarer. Halvparten av gangene svarer den 0 og resten av gangene 1. Men hvorfor den noen ganger svarer 0 og andre ganger 1, m? du selv finne ut av.
Dette kan l?ses ved ? gjenta fors?ket en rekke ganger. Med en klassisk datamaskin er dette den eneste muligheten.
– Med en kvantedatamaskin kan vi sende inn en superposisjon av alle de ?tte mulighetene p? én gang. Svaret blir da en superposisjon av alle de ?tte verdiene som kommer ut.
Selv om en kvantebit alts? kan inneholde alle mulige varianter mellom 0 og 1, returnerer den bare 0 eller 1. Du m? derfor finne et lurt triks for ? fravriste den hemmelige verdien til kvantebiten.
– Dette trikset er l?st for visse problemer, slik som for dette eskeproblemet.
Selv om du m?ler at elektronspinnet f?r verdien 0 eller 1, vil du, n?r du m?ler elektronspinnet mange nok ganger, f? et snitt du kan bruke.
– I den klassiske, fysiske verden er vi vant til determinisme. I kvantemekanikken er det derimot tilfeldighetene som r?r. Du risikerer at du f?r et svar som du ikke kan bruke, men hvis du gjentar sp?rsm?let mange nok ganger, f?r du rett svar. S? sjansen for feil er i praksis s? liten at det ikke er noe problem, p?peker Joakim Bergli.
Selv om du skulle finne en effektiv algoritme p? kvantedatamaskinen, er det likevel ikke sikkert at beregningene dine g?r fortere p? en kvantedatamaskin.
Hvis du skal faktorisere et tall, slik som at 56 = 2 * 2 * 2 * 7, vil denne beregningen g? langt raskere p? en klassisk maskin. Poenget er at tiden for hvor lang tid en beregning tar, ?ker raskere p? en klassisk maskin enn p? en kvantedatamaskin. Det betyr at en kvantedatamaskin kan vinne temporittet hvis tallet er stort nok.
Forskerens dr?m
Det ? faktorisere store tall, er viktig for dem som forsker p? sikkerhet, men Joakim Bergli p?peker at det ikke akkurat er samfunnsmessig produktivt ? knekke koder.
– Kvantedatamaskinene er derimot sv?rt nyttige om du skal lage nye materialer med nye egenskaper, slik som materialer med helt bestemte magnetiske egenskaper ved ulike temperaturer.
Alle magneter som varmes opp, vil etter hvert slutte ? v?re magnetiske. Forklaringen er at elektronene beveger seg for mye i sterk varme. Da klarer ikke elektronene lenger ? g? i takt. N?r materialet kj?les ned, vil de bli magnetiske igjen.
– Selv om dette prinsippet er forst?tt, er det vanskelig ? beregne overgangen fra en magnetisk til en ikke-magnetisk tilstand.
Bergli trenger ogs? kvantedatamaskinen til ? studere de elektriske egenskapene i materialer.
– Da kan vi f? mer kontroll p? hvordan vi bygger opp materialer med helt spesielle elektriske og magnetiske egenskaper, poengterer Joakim Bergli p? Fysisk institutt ved UiO.