Genom att kombinera världsledande expertis inom både datavetenskap och kvantfysik kommer Chalmers i ett nytt projekt att utveckla en komplett mjukvarustack för programmering av kvantdatorer.

Kvantvärlden – i skalan av atomer och lägre – är paradoxal och bisarr. Partiklar verkar vara samtidigt både här och där, eller mystiskt intrasslade på avstånd. Kvantteknologi handlar om att utnyttja dessa konstiga fenomen för att skapa helt ny teknik med extraordinära möjligheter.
– Vi bevittnar idag den andra kvantrevolutionen. Den första handlade om att få en förståelse för materiens grundläggande egenskaper baserad på kvantmekanik. Den andra handlar om förmågan att manipulera enskilda partiklar och deras fysiska interaktioner, att bygga nya teknologier och system som utnyttjar kvantfenomen som superposition och intrassling för tekniska tillämpningar. Detta öppnar nya möjligheter för informationsbehandling, förklarar professor Devdatt Dubhashi, Chalmers tekniska högskola.

Byggs upp av kvantbitar
Den förväntade fördelen med kvantdatorer jämfört med vanliga datorer ligger i de grundläggande byggstenarna. I vanliga datorer är den minsta informationsbäraren den bit som kan ta antingen värdet 0 eller 1.
– Däremot använder en kvantdator kvantbitar som kan vara både 0 och 1 på en gång, på grund av den kvantegenskap som kallas superposition. Fördelen kommer av att varje kvantbit kan representera två värden samtidigt, så det totala antalet möjliga samtidiga tillstånd fördubblas med varje adderad kvantbit. Redan 300 kvantbitar skulle kunna representera fler värden på en gång än det finns partiklar i hela universum. För att överträffa beräkningskraften i dagens superdatorer krävs det bara 50–60 välfungerande kvantbitar, förklarar Anton Frisk Kockum, Chalmers tekniska högskola.

Samverkan en förutsättning
Devdatt Dubhashi forskar på avdelningen för Data Science och AI, Institutionen för data- och informationsteknik, och Anton Frisk Kockum är forskare i kvantfysik på Wallenberg Centre for Quantum Technology.
– Ett av målen med projektet är att bygga en kraftfull forskningsmiljö i Sverige, här på Chalmers, som inte funnits tidigare, där datavetenskap och kvantfysik jobbar tillsammans för att utveckla programmering för en kvantdator. I internationella ansträngningar (som i Google Quantum AI-teamet) arbetar datavetare och kvantfysiker nära ihop sedan länge, förklarar Devdatt Dubhashi.

Vet inte nyttan ännu
I projektet ”QuantumStack: Programmering av kvantdatorn” kommer de att utveckla en komplett mjukvarustack som täcker hela skalan av uppgifter från applikationer, algoritmer och programmeringsspråk hela vägen till implementering på fysisk hårdvara.
– Exakt vilken användning man kan ha av en kvantdator vet man ännu inte, men de förutspås vara särskilt lämpade att lösa problem som innebär ett stort antal möjligheter, såsom beräkning av egenskaper hos stora molekyler, och eventuellt optimeringsproblem inom logistik eller maskininlärning, förklarar Anton Frisk Kockum.
Han konstaterar att det finns ett mycket stort intresse i världen för kvantdatorer och deras förmodade revolutionerande potential, men det är ännu mycket som återstår av forskning och utveckling.
– En av de uppgifter vi kommer att jobba med i projektet är att försöka hitta likheter och skillnader mellan kvantdatorer och vanliga datorer. Exempelvis vet man att algoritmerna som används i en kvantdator är annorlunda men samtidigt finns saker som är lika, så genom att identifiera likheter och skillnader så slipper vi börja helt från början.
För att testa om det de utvecklar i de olika stegen i mjukvarustacken fungerar kommer de att utvärdera de resulterande kvantprogrammen i simuleringar på en klassisk dator.

Bygger upp nytt team
Det var bara för ett par veckor sedan som de fick besked om att de fått ca 35 miljoner kronor av Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF) till sitt projekt, och nu påbörjas arbetet med att anställa doktorander, postdoktorer och forskare som kan ta sig an uppgifterna.
– Det är redan ett antal nya som börjar på våra respektive institutioner för andra projekt och som också kommer att engageras i detta. Bland annat en forskare från MIT som kan ha nytta av våra resultat i sin egen forskning inom molekylärbyggnad, där en kvantdator förväntas ha en stor potential, förklarar Devdatt Dubhashi.

Klicka här för att läsa mer om Quantum Computing

Framgångsrik forskning är ofta ett resultat av ingivelser, nyfikenhet och envishet. På Chalmers har forskare genom att pröva en lite vild idé lyckats skapa banbrytande teknologi för NMR-spektroskopi för leviterande material. Tekniken ger helt nya möjligheter till detaljerad kemisk och fysikalisk analys.

Det var efter att Romain Bordes, docent i ytkemi vid Chalmers, byggt en akustisk ultraljudslevitator, som han tillsammans med kollegan Lars Evenäs, biträdande professor i ytkemi, kom på att den kunde testas i kombination med NMR-spektroskopi. Detta kunde potentiellt ge ett riktigt brett användningsområde, resonerade de.
En ultraljudslevitator kan få en vätskedroppe att stå helt stilla i luften, medan NMR-spektroskopi är en analytisk teknik för att erhålla detaljerad information på atomnivå av kemiska, spatiala, strukturella och dynamiska egenskaper. Fördelen med att studera leviterande droppar med NMR-spektroskopi är att dropparna inte påverkas av omgivande material, som ett glasrör. Analysen blir därmed mycket exakt i de fall där gränsytan med omgivande luft har betydelse.
– Det finns mycket kraftfull magnetutrustning på Chalmers och vi fick bidrag från SSF för att testa vår idé. Resultatet har blivit mycket lyckosamt, berättar Lars Evenäs.

Många utmaningar
Forskargruppen har under de tre år som forskningen pågått löst en rad utmaningar.
– Bland annat fick vi hitta ett sätt att få in levitatorn i NMR-magneten och sedan hålla vätskedroppen stabil utan att kunna se den. Alla komponenter måste vara icke-magnetiska och levitatorns stabilitet öka. Vi ville också skapa en användarvänlig teknologi med så kallad open-source hardware. När vi fick vår första anspråkslösa avbildning av en vätskedroppe var det ett stort ögonblick, säger Romain.

Redo att publicera
Forskarna har nu byggt själva apparaturen, grundligt testat och finslipat teknologin och står redo att publicera vetenskapliga artiklar. De möjliga framtida tillämpningarna är många, eftersom teknologin lämpar sig för snart sagt alla discipliner där vätskor och mjuka material studeras. Livsvetenskaperna, kemiindustrin, materialutveckling och livsmedelstillverkning är några områden.
– Vi har arbetat med simulering och strävat efter bästa design och levitatorprestanda, förklarar Romain och Lars.
– Nu är det dags för andra att också ta vid och utveckla tekniken för olika nischer och användningsområden.

Per Hyldgaard, professor på avdelningen för elektronikmaterial och system vid Chalmers, leder en forskargrupp som utvecklar en ny plattform för modern materialteori.
– Vi hoppas att våra beräkningsmetoder ska bidra till utvecklingen inom en rad viktiga områden.

Samhällsutvecklingen gynnas av snabba framsteg inom materialforskningen. Men att utveckla en teori som kan förutsäga materialfunktion endast utifrån atompositioner är ingen lätt uppgift. En utmaning för snabba framsteg i sammanhanget är att materialteori också är ett gammalt och beprövat forskningsfält. Nytänkande bemöts ibland med skepticism.
– Därför har vi lagt ner mycket arbete på att visa att vi är konkurrenskraftiga på det som forskare redan litar på inom denna tekniska teori. Allt det gamla och beprövade fungerar mycket väl även i vår nya plattform. Skillnaden är att vi också tillhandahåller ett nytt och mer allmänt synsätt och samtidigt ökar noggrannheten för studier av många fler system och processer, förklarar Per Hyldgaard.
Arbetet har pågått under lång tid; för 20 år sedan resulterade det i starten på forskargruppens nya generella beräkningsmetod för materialegenskaper, kallad vdW-DF.
Under senare tid har fokus varit på att skapa uppmärksamhet kring den plattformen, att bredda verktygslådan och få ut det nya beräkningssättet till fler forskare inom olika discipliner.
– Syftet är att skapa en feedbackloop där forskarnas erfarenheter av att använda plattformen i praktiken också kan användas till att förfina våra modeller ytterligare.

Många applikationer
Biokemi är ett område där forskargruppens moderna materialteori kan komma till stor nytta.
– De fundamentala processerna i livets gång beror på att molekyler växer med en blandning av starka och svaga växelverkningar, men de måste också ha stabilitet. Tidigare kunde man beskriva molekylernas stabilitet, men inte i kombination med själva processen, och det är här vi tror att vi har något att komma med, säger Per Hyldgaard.
En annan intressant applikation är grön teknologi.
– Det finns material som likt en svamp kan suga upp koldioxid ur luften, men då vill man att materialet enbart fångar koldioxid och inte vatten. Problemet kan lösas genom att molekylernas små växelverkningar definieras samtidigt med de stora, vilket är möjligt med hjälp av våra beräkningsmodeller.
För framtiden hoppas Per Hyldgaard att forskargruppens arbete ska bli en pusselbit både i kampen för klimatet och inom andra områden.
– Modern materialteori kan bidra till utvecklingen inom en rad olika discipliner, och vårt projekt är en del i den strävan.

Klicka här för att läsa mer om mig och mina projekt