Jätteatomer kan bana väg för framtidens kvantdatorer

Inom en nära framtid kan kvantdatorer kanske lösa problem som dagens superdatorer går bet på. Nya genombrott inom forskning på så kallade jätteatomer, där ljus och materia samverkar på helt nya sätt, kan öppna för kvantsimulering och framtida kvantnätverk.

Hur bygger man nästa generations kvantteknik? En möjlig väg går via ett fenomen som utmanar grundläggande antaganden inom fysiken: jätteatomer. Detta sysselsätter Anton Frisk Kockum, som driver ett forskningsprojekt vid Chalmers tekniska högskola med målet att omsätta nya kvantfysikaliska effekter till praktiska teknologier.
– Jag är motiverad i min forskning av att på olika sätt hjälpa mänskligheten att förstå stora kvantmekaniska system. För stora molekyler som i läkemedel, eller avancerade material, behöver vi kvantfysik, säger han.

Stor molekyl, stor komplexitet
Bakgrunden handlar om behovet att förstå egenskaper hos olika typer av stora molekyler som DNA och enzymer. Dessa kan sedan i sin tur användas för att utveckla till exempel nya och bättre mediciner eller kemiska processer.
– Man kan då behöva testa många olika typer av molekyler för en speciell uppgift i någon kemisk reaktion. Men kan man göra det genom simuleringar istället för att tillverka alla och testa dem i praktiken så kan man spara enorma resurser.
Inte ens dagens mest avancerade superdatorer räcker till för att simulera så komplexa kvantsystem som hos stora molekyler. Ytterligare en utmaning är att molekylernas egenskaper kan påverkas av deras växelverkan med omgivningen, inklusive vatten och andra molekyler.

Jätteatomer ger nya resurser
Här kommer kvantdatorer in i bilden – liksom jätteatomer. Vanliga atomer kan behandlas som små och punktlika entiteter. Jätteatomer är däremot konstruerade system, till exempel små elektriska kretsar, som kopplar till ljus eller vågor i flera punkter samtidigt. Det ger upphov till interferenseffekter som kan förstärka eller släcka ut växelverkan.
– Det innebär en helt ny regim för växelverkan mellan ljus och materia. Och den växelverkan med omgivningen kan man styra i experiment. Nu håller vi på att utveckla protokoll för att använda den styrningen till kvantsimulering av molekyler med omgivningar, säger Anton Frisk Kockum.
När de stora atomernas koppling till sin omgivning är av kan man genomföra ett antal beräkningssteg för att efterlikna kvanttillstånd hos molekyler. Sedan kan kopplingen slås på under olika långa tider för att efterlikna olika styrka på molekylernas växelverkan med sin omgivning.

Nästa steg kvantdatorer
Forskningsprojektet finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning, SSF, och har utöver spåret kring kvantsimulering också fokus på kvantkommunikation. Det senare handlar om att överföra kvantinformation mellan olika delar av ett system – eller mellan olika kvantdatorer.
– Det gör det möjligt att ta flera små kvantdatorchip och koppla ihop dem till en större kvantdator.
Även om vissa idéer har behövt omprövas längs vägen, ser forskarna tydliga framsteg. Fältet utvecklas snabbt, och flera olika tekniska plattformar konkurrerar parallellt.
I samarbete med det amerikanska toppuniversitetet Massachusetts Institute of Technology, MIT, har Chalmersforskarna tagit viktiga steg mot experimentella demonstrationer av så kallad sammanflätning av kvantbitar (i form av jätteatomer) på olika delar av ett chip på ett enkelt och bra sätt.
– Vi har fått väldigt bra resultat. Så nu håller vi på att lägga sista handen vid en artikel om detta, som vi ska skicka in till någon av de mest välrenommerade forskningstidskrifterna.

Betydelse för många branscher
På längre sikt kan tekniken få stor betydelse för industrin. Möjliga tillämpningar finns inom alltifrån läkemedelsutveckling till materialforskning och energieffektiv kemi.
Tidsperspektivet är fortfarande osäkert, men uppskattningar från forskarsamhället pekar mot att genombrott kan komma inom ett par decennier.
– När man för många andra teknologier förutspår när ett stort genombrott kommer brukar bedömningen alltid flytta sig 10–20 år framåt, hela tiden. Men för kvantdatorer har man konsekvent pratat om att riktigt kraftfulla maskiner borde komma runt 2035.
Atomer och egenskaper må inom kvantfysiken ständigt vara i ett konstant växlande tillstånd. Men när det gäller forskningen utvecklas den hela tiden framåt, mot en mycket spännande, löftesrik och allt närmare framtid.