Kvantbitar är kvantmekanikens ettor och nollor. Med kontroll över dem öppnas dörren mot gigantiska beräkningar, blixtsnabb kommunikation och hyperkänsliga sensorer. Men majoriteten av dagens kvantbitar kan bara skapas vid temperaturer nära nollpunkten. Det tänker en forskargrupp i Linköping ändra på.
Projektanslag 2018
Halvledare med stora bandgap för nästa generations kvant-komponenter
Huvudsökande:
Professor Igor Abrikosov
Medsökande:
Linköpings universitet
Vanya Darakchieva
Mathias Schubert
Nguyen Tien Son
Stockholms universitet
Mohamed Bourennane
Lärosäte:
Linköpings universitet
Beviljat anslag:
33,4 miljoner kronor under fem år
Kvantmekanik är de fysikaliska fenomen som styr världen på atomskala – till skillnad från den klassiska, newtonska mekaniken som styr det mesta vi ser med blotta ögat, som byggnaders hållfasthet eller fordons rörelse. Kvantmekaniken är känd sedan början av 1900-talet och i flera decennier har vi utvecklat teknik baserad på den. Transistorer, dioder, lasrar och mobiltelefoner bygger alla på kvantmekaniska fenomen, men utan att vi kontrollerar dem – vi bara utnyttjar att de finns.
– Nästa generations elektronik ska aktivt påverka och styra kvanttillstånden, vilket är vad som krävs för att skapa till exempel kvantdatorer. En del av den tekniken finns redan, men den kan än så länge inte tävla med konventionell teknologi, säger Igor Abrikosov.
Han är professor i teoretisk fysik vid Linköpings universitet och leder ett projekt med stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, med målet att skapa kvantbitar vid rumstemperatur.
Logistik, sensorer och kryptering några av möjligheterna
En kvantbit är kvantmekanikens minsta beståndsdel. Dagens datorer lagrar sin information i ettor och nollor. Med manipulerade kvanttillstånd uppstår så kallad superpositionering, ett mellanting mellan ettorna och nollorna. Det är som att gå från svart-vitt till gråskala, och kvantbiten är det tillstånd som omfattar alla nyanser på en gång.
– Möjligheterna blir enormt mycket större inom till exempel beräkningar, optimering och kommunikation, säger Igor Abrikosov.
Att kunna styra kvanttillståndet, alltså skapa och kontrollera kvantbitar, skulle till exempel göra det möjligt att kryptera information så att den blir helt oläsbar (teknik som redan används i viss mån), att snabbt beräkna den optimala lösningen på svåra logistiska problem – exempelvis ett tågstopp som kräver stora trafikomledningar, eller att designa sensorer som är så känsliga att de kan hitta rör i marken bara genom att flyga över dem med helikopter, eller mäta temperaturen inuti en levande cell.
– Och så skulle vi förstås kunna göra mängder av saker som vi inte ens kan förutspå i dag. Det skulle innebära ett enormt skifte i vår teknologi. Men att kontrollera kvanttillstånd innebär många utmaningar. En av dem är att skapa en rent fysisk källa där man kan lagra kvantbitar, åtminstone i millisekunder. Den tiden skulle räcka, säger Igor Abrikosov.
En del företag och forskarlag har lyckats med det genom att använda supraledande material vid mycket låga temperaturer, eller ultrakalla atomer, så kallade bose-einstein-kondensat. Temperaturen ligger då bara tusendelar av en grad över den absoluta nollpunkten.
Virtuella experiment ökar tempot och sänker kostnaden
Igor Abrikosov och hans kollegor i Linköping och Stockholm vill prova en helt annan väg. De utforskar möjligheten att lagra kvantbitar i defekter inuti halvledarmaterial. Defekterna skapar ett slags hål som kan lagra kvantinformation och hålet fungerar då som en kvantbit. Sådana defekter kan uppstå naturligt, men om det ska bli praktiskt användbart måste forskarna lyckas skapa dem.
– Experiment har redan visat att de här kvantbitarna fungerar vid rumstemperatur, vilket är en enorm fördel. Men som vanligt finns det inga gratisluncher. Det är mycket svårt att designa den här defekten på ett kontrollerat sätt och att skapa flera stycken identiska defekter.
De ”naturliga” kvantbits-defekterna har hittats i diamant. Forskargruppen i Linköping arbetar med en särskilt ren form av ämnet kiselkarbid. Det har en liknande kristallstruktur som diamant men är en förening mellan kol och kisel. Hittills har de hittat två olika typer av användbara defekter i materialet. Det har väckt stor uppmärksamhet bland kvantbitsforskare i övriga världen, som nu står på kö för prover från Linköpings-labbet.
I Linköping och Stockholm fortsätter arbetet med att hitta fler defekter, och skapa superrena material med enbart de önskade defekterna. Igor Abrikosov och hans kollegor har utvecklat nya teoretiska metoder för att beskriva och förutspå egenskaper i materialen redan innan de skapas. Det betyder att de kan göra virtuella experiment i Linköpings superdatorer innan de går vidare och gör verkliga försök. På det viset krävs mycket färre verkliga experiment, vilket både sparar tid och pengar; ett av de ämnen som används kostar 120 000 amerikanska dollar för ett halvt kilo.
– Nu bygger vi ny, unik utrustning för att kunna studera de prover vi tar fram, och jakten på ännu bättre material fortsätter. Redan har experimentalisterna i vår grupp kommit med flera intressanta förslag som jag hoppas kunna börja testa den här veckan, säger Igor Abrikosov.
Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström
