Med målet att göra Sverige till en frontspelare inom kvantteknologi

Uppdraget ligger hos Wallenberg Centre for Quantum Technology, WACQT. Genom att försöka bygga en 100-bitar stor supraledande kvantdator ska en långsiktig, stark kompetens byggas upp inom området inom såväl svensk akademi som industri.

Strategiska satsningar

WACQT

Wallenberg Centre for Quantum Technology, WACQT, är en centrumbildning och ett forskningsprogram med fyra inriktningar inom kvantteknologi.

Chalmers ansvarar för kvantberäkningar och kvantsimuleringar, KTH ansvarar för kvantkommunikation och kryptering och Lunds universitet för utveckling av kvantsensorer.

Koordinator för hela programmet är Chalmers.

Beviljat anslag:
600 miljoner kronor under perioden 2018­-2027

Den totala satsningen med bidrag från industri och ingående universitet uppgår till närmare 1 miljard kronor.

Kvantfysiken har redan haft en enorm betydelse genom uppfinningar som exempelvis transistorn och lasern vilka i sin tur banat väg för dagens informationsteknologi. En utveckling som har lett till dagens datorer, internet och avancerade mätmetoder.

Nu finns kunskapen som gör det möjligt att flytta fram positionerna ytterligare, något som brukar benämnas som den andra kvantrevolutionen. I sikte finns bland annat extremt snabba kvantdatorer, avlyssningssäker kommunikation, hyperkänsliga mätinstrument och skräddarsydda läkemedel. Kvantdatorer spås också ha en stor betydelse för artificiell intelligens och maskininlärning.

Att hänga med i denna utveckling är viktigt för Sverige både som forsknings- och industrination, en insikt som låg bakom Knut och Alice Wallenbergs Stiftelses beslut att 2017 anslå 600 miljoner kronor till centrumet. Tillsammans med bidrag från universiteten och industrin uppgår satsningen till närmare en miljard kronor.

En helt ny beräkningsdimension

Men riktigt säkra på vad användningen av kvantdatorer kan leda till är det idag få som egentligen är även om spekulationerna är många. Det är också svårt att sia om när den första kvantdatorn som kan slå dagens datorer kommer att vara byggd. Säkert är dock att de är många som tävlar om att bli först och att man söker lösningar på olika sätt.

En som är övertygad om att det finns en enorm potential är Per Delsing, professor i kvantkomponentfysik och föreståndare för WACQT.

– Det kommer inte att bli dubbelt eller tre gånger så bra utan det är en helt ny dimension vi pratar om. Får man ihop en kvantdator med 300 kvantbitar, skulle den teoretiskt kunna hantera fler siffervärden än vad det finns atomer i universum.

Tanken svindlar, men dit är det ännu långt. Faktum är att den största fungerande kvantdator som hittills byggts är på 20 bitar. Och målsättningen för WACQT är att bygga en 100 kvantbitar stor dator inom tio år. Men för att överträffa beräkningskraften hos dagens superdatorer räcker det med 50–60 kvantbitar.

Centrumet invigdes i början av 2018. I forskningsprogrammet som koordineras av Chalmers ingår även KTH och Lunds universitet.

– Centret omfattar alla fyra pelare inom kvantteknologi, Chalmers ansvarar för kvantberäkningar och kvantsimuleringar. Det är också här som datorn kommer att byggas. KTH ansvarar för kvantkommunikation och Lunds universitet för kvantsensorer, berättar Per Delsing.

Forskare från andra universitet ingår även i programmet.

Tillverkar egna kvantbitar

Helt avgörande för projektet är det 1 000 kvadratmeter stora renrummet, på Chalmers, som av flera forskare beskrivs som ett av de bästa i världen. Här tillverkar de sina kvantbitar. I en maskin som är en slags förångare, slutförs själva tillverkningen av de nanosmå kvantbitarna som består av två lager aluminium med ett lager aluminiumoxid mellan sig. Kvantbitar samt ledningar för mikrovågor är etsade direkt på ett kiselchip med hjälp av elektronstrålelitografi. Mikrovågorna är de som kickar i gång kvantbiten.

– Man kan säga att själva hjärtat av de supraledande kvantbitarna skapas här, säger Andreas Bengtsson.

Kvantbitar är varken lätta att tillverka eller förvara och har en ruskigt kort livslängd.

– De är som potatis de ska förvaras mörkt och kallt, säger Per Delsing med ett skratt.

Skillnaden är att kvantbitarna förvaras så nära den absoluta nollpunkten som det går. Kryostaten som de placeras i håller minus 273,14 grader.

Per Delsing och hans kollegor har stor erfarenhet av att bygga kvantbitar. 2003 skapade de sin första supraledande kvantbit, något de var bland de första i världen att lyckas med. De är också en av de grupper i världen som har den längsta livslängden på sina bitar. Den hittills längsta livslängden är i dag mycket, mycket kort, 100 mikrosekunder, men på den tiden kan 1 000 till 10 000 operationer genomföras.

För att få kvantbiten att leva så länge som möjligt måste man isolera den men samtidigt måste man öppna en kanal för att kunna kontrollera och styra den. Trots att det är två motstridiga uppgifter är den största utmaningen ändå att koppla i hop flera kvantbitar på ett chip och få dem att kommunicera med varandra.

– Det är väldigt svårt att kontrollera bitarnas energi och frekvens. Vi löser problemen steg för steg, vi börjar med några bitar för att sedan försöka med 7 bitar och så vidare, förklarar Delsing.

Faktum är att det ännu inte är någon som vet om det kommer att gå att koppla ihop 100-bitar.

Kvantsensorer och kommunikation

Det viktigaste arbete inledningsvis var att rekrytera ett kvalificerat forskningsteam som täcker alla de olika kompetenser som behövs. Programmet består både av en teoretisk och experimentell del.

På KTH är det kvantkommunikation och kryptering som står i fokus.

– Vi jobbar med att göra kvantkommunikationen hemlig. Fysiska kvantsystem kan varken mätas eller kopieras utan att det märks. Försöker man få åtkomst till informationen så ändras den. Kvantkryptering kommer att vara exklusiv och dyr till en början, och främst vara till för branscher som bank och finans, vården, försäkringsbolag och försvaret, säger Gunnar Björk, professor i fotonik och koordinator för projektet på KTH.

Vid Lunds universitet koordinerar Stefan Kröll, professor i atomfysik kvantsensor-delen. Kvantsensorer gör att man kan mäta med högre känslighet och större precision.

– Utvecklingen kommer bland annat att leda till kraftfullare mätinstrument. Alltifrån instrument som mäter lokala variationer i gravitation för att lokalisera mineralfyndigheter eller ge tidiga varningar för jordbävningar och vulkanutbrott till bättre magnetometrar för studier av hjärnaktivitet.

Ett drygt halvår efter bildandet av WACQT lanserades EU:s flaggskeppsinitiativ med en budget på en miljard Euro. Ett av delprojekten heter OpenSuperQ där tio europeiska partners från akademin och industrin gått samman för att på bara tre år bygga en 100-bitars kvantdator och så småningom göra den tillgänglig i molnet. Flera forskare vid WACQT ingår även i OpenSuperQ, den svenska insatsen leds av docent Jonas Bylander vid Chalmers.

Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström och Monir Eriksson

Mer om WACQT

För att bygga upp och stimulera en interaktiv och öppen forskningsmiljö så har WACQT fyra olika men växelverkande aktiviteter:

  • En forskarskola, där samtliga doktorander och industridoktorander erbjuds gemensamma kurser och andra aktiviteter. Totalt beräknas WACQT att anställa 60 doktorander under tio år.

  • Ett post-doc-program, bestående av totalt 40 postdoktorer över tio år.

  • Ett gästforskarprogram

  • Ett särskilt program för industrisamverkan

Tillämpningsområde

Ett  exempel på tillämpningsområde för kvantberäkningar är logistikbranschen. Till exempel uppgår antalet kombinationer för 100 destinationer med 100 flygplan och 100 besättningar till 1 följt av 316 nollor medan jämförelsevis antalet partiklar i universum bara kommer upp till 1 följt av 90 nollor.