»Skal vi bygge den kvantecomputer, vi ønsker, kræver det materialeforskning under ultrakontrollerede forhold«

Illustration: Ola J. Joensen
Mød den danske forsker, der via en guitarspillende, utraditionel uddannelsesvej nu står i spidsen for forskning, der kan revolutionere computerindustrien.

Da Peter Krogstrup efter folkeskolen og et år på ungdomshøjskole valgte at forfølge drømmen om at blive guitarspillende rockstjerne i stedet for at gå gymnasie- og universitetsvejen, var der intet, der tydede på, at han ville blive professor på Københavns Universitet.

Men i dag er han professor i materialefysik ved Niels Bohr Institutet og leder af Microsoft Quantum Materials Lab i Lyngby, hvor guitarakkorderne er skiftet ud med fintuning af sensitivt kvanteudstyr.

Det vil han fortælle mere om på Version2's store Infosecurity Data&Cloud-konference, men Version2 har allerede nu fået en snak med Peter Krogstrup som sammen med sine kollegaer er i gang med forskning, der kan føre til en revolution indenfor kvantecomputere.

Potentialet i forskningen er så stort, at Microsoft har investeret et 3-cifret millionbeløb i dels at finansiere forskningen, dels at bygge et state-of-the-art-laboratorium til Peter Krogstrup og hans kollegaer.

Vil forbedre kvantecomputere

I modsætning til traditionelle computere, der opererer med bits, der kan have værdien 1 eller 0, så anvender kvantecomputere qubits (forkortelse for quantum bits), der antager 1 og 0 på samme tid grundet kvantefysiske egenskaber.

Der findes allerede kvantecomputere i dag, men de konventionelle qubits er så skrøbelige, at de eksisterende kvantecomputere hidtil ikke har levet op til potentialet i kvantecomputing.

»Kvantetilstande reagerer med omgivelserne utroligt let. Vi er nede på elementarpartikel-niveau, og den mindste vekselvirkning med omgivelserne betyder, at din kvantetilstand vil tabe sin information,« forklarer Peter Krogstrup.

Det er tilfældet med dagens kvantecomputere, hvor den korte levetid for kvantetilstande betyder, at der uundgåeligt opstår fejl i beregningerne.

Det er følgelig nødvendigt at korrigere for fejlene, og den korrektion betyder, at kvantecomputerne i dag reelt ikke overgår traditionelle computeres egenskaber.

»Kvantecomputere i dag har en vis mængde fejl, der måles vha. qubit-fidelity. Hvis man har en fidelity på 99 pct., betyder det, at der er en fejlrate på 1 pct. Problemet med det er, at du skal have en masse algoritmer udover dine beregninger, der sørger for, at der bliver korrigeret for fejlene. Det betyder, at du ikke vinder noget ved at have den slags kvantecomputere. Skal du lave en kvantecomputer, der er bedre end klassiske computere og opfylder potentialet, kvantecomputere har, så skal du op på 99,999 pct. qubit-fidelity, så der ikke skal laves så meget fejlkorrektion,« forklarer Peter Krogstrup.

Konventionelle qubits er superledende qubits bestående af aluminium-netværk ovenpå en silicium-platform. IBM, Google og Intel forsøger at forbedre kvaliteten af de konventionelle qubits, så levetiden af kvantetilstande øges. Det er den slags kvantecomputere, du hører om i dag, med 20, 50 og 100 qubits.

Et nyt materiale

Peter Krogstrup og hans kollegaer har valgt at gå en anden vej sammen med Microsoft. I stedet for at prøve at forbedre de konventionelle qubits forsøger de at bygge nogle helt nye, mere stabile qubits, såkaldte topologiske qubits.

»Vi tager den lidt hårdere vej,« siger Peter Krogstrup med et lille grin og fortsætter:

»Teoretisk ved man, at der er nogle eksotiske kvantepartikler, fraktionelle elementarpartikler, man kalder topologiske bound state, nogle bundne tilstande på kanten af dine materialer, som har en natur, der betyder, at de ikke vekselvirker så nemt med omgivelserne. De reagerer ikke med normale elektroner og protoner, da de har en anden fysisk struktur.«

Læg mærke til ordet teoretisk. De eksotiske kvantepartikler med det lige så eksotiske navn Majorana Fermioner eksisterer nemlig ikke naturligt.

»At realisere de topologiske beskyttede tilstande er svært. De findes ikke i naturen, vi er nødt til at bygge dem selv,« siger Peter Krogstrup, inden han kaster sig ud i en beskrivelse af, hvordan man bygger den slags:

»Lidt halvleder-krystaller, lidt superledende krystaller, ferromagnetiske isolatorer« samt en række andre ting, som Version2's journalist ikke rigtig fanger, da han har en midlertidig mental kortslutning ved oplysningen om, at Majorana Fermioner er deres egne anti-partikler.

Version2 får dog noteret, at krystaller er byggematerialet for de topologiske qubits, og der er utroligt strenge krav til renheden af materialerne og perfektionen af krystallerne.

Det er derfor, Microsoft har bygget et nyt laboratorium til Peter Krogstrup og hans forsker-kollegaer hos Microsoft i Lyngby.

»Hvis vi skal bygge den kvantecomputer, vi ønsker, skal vi bygge en helt ny platform af krystaller, der ikke er lavet før. Det kræver materialeforskning under ultrakontrollerede forhold. Vibrationer, akustisk støj, elektromagnetisk støj skal være minimalt.«

Eksperimenter tæt på det absolutte nulpunkt

Materialeforskningen er en blanding af eksperimentel kvantefysik og hardcore kvanteteori. Eksperimenterne udføres i laboratoriet i Lyngby ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt; -273,15 C eller 0 kelvin.

»Temperatur er vibrationer, energi, og det vil man gerne undgå, da det kan ødelægge kvantetilstandene, derfor skal det være så koldt som muligt, så vibrationer minimeres mest muligt. Det er umuligt at komme helt ned til det absolutte nulpunkt, men vi er tæt på med en temperatur på 20 millikelvin,« siger Peter Krogstrup.

Da det er banebrydende grundforskning, er det svært at opstille en traditionel projektplan med milepæle, så Peter Krogstrup kan ikke sige, hvornår forskerne har Majorana Fermionerne klar.

»Vi har en masse eksperimenter, der tyder på, at vi har Majorana Fermioner. Vores karakteriseringsudstyr foreslår, at vi har realiseret de ønskede tilstande, men der er et stykke vej fra at have signaturerne af tilstandene og så til at kunne isolere dem. Det er, hvad vi arbejder på lige nu.«

Kvantecomputing i skyen

Selvom forskerne måske får skabt nogle stabile qubits i den nærmeste fremtid, skal du ikke forvente at kunne købe din egen kvantecomputer. Udover det nederste lag med qubits, der holdes på en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt, så er der andre lag, som heller ikke udgøres af standard-hardware.

Ovenpå qubit-laget er der et lag med kontrolelektronik i form af gates og kontakter, der anvendes til at styre impulser ned til kvantelaget. Det lag holdes på en temperatur omkring 4 kelvin (- 269,15 C) ved hjælp af flydende helium.

Dernæst er der endnu et lag, hvor temperaturen holdes på 70 kelvin (- 203,15 celsius) ved hjælp af flydende nitrogen. Her er, hvad Peter Krogstrup betegner som »en masse klassisk kontrol-elektronik, der anvendes til at korrigere for fejl«.

Hvis det lykkes at skabe et paradigmeskift indenfor kvantecomputere og få stabile topologiske qubits, vil resultatet af forskernes anstrengelser først blive tilgængelig for masserne via cloud computing, hvor kvantecomputeren er placeret i et datacenter et sted.

Enden på et ustruktureret liv

Peter Krogstrups rejse fra guitarspillende skole-dropout til professor i kvantefysik kan synes lige så uforståelig som elementarpartikler, der er deres egne anti-partikler og anvendes til at bygge qubits, der antager værdierne 1 og 0 på samme tid, men for Peter Krogstrup var det ikke helt uforståeligt.

»Jeg var fuldstændigt optaget af musik og spillede i bands og pladestudier, men det var meget op og ned med økonomien. Der var måneder, hvor jeg ikke tjente nogen penge. Da min daværende kæreste blev gravid, tænkte jeg, at det her ustrukturerede liv kan jeg ikke fortsætte.«

Han tog nogle HF-aftenkurser og blev »fuldstændigt forelsket i naturvidenskaben«.

I folkeskolen havde han altid godt kunnet lide fysik, men »jeg havde alt for meget energi til at sidde ned og høre efter«.

Som 30-årig kanaliserede han energien mod at læse fysik på Københavns Universitet, og siden har det »kørt derudad« i sådan en grad, at han ikke har tid til at spille guitar mere.

Som nævnt kan du høre mere om Peter Krogstrups forskning og kvantecomputere på Infosecurity-konferencen. Det vil formentlig give dig nogle svimlende øjeblikke, hvor dit verdensbillede krakelerer, og du føler dig fortabt, men fortvivl ikke. Som Niels Bohr har sagt:

»Hvis man kan sætte sig ind i kvantemekanik uden at blive svimmel, så har man ikke forstået noget af det.«

Tips og korrekturforslag til denne historie sendes til tip@version2.dk
Følg forløbet
Kommentarer (2)
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først
Anders Quitzau

Interessant artikel og spændende om det lykkes at finde ud af at lave topoliske qubits.

Men vi er faktisk rigitgt langt med IBM Q, IBM's kvante computere og så langt at en række virksomheder allerede i dag arbejder med at teste, hvordan kvante computere kan hjælpe med at løse ellers uløselige problemer.

Vi har i dag en fidelity på under 2% og gate fejl undrr 1% og disse forbedres løbende. Fidelity er måske den vigtigste, men ikke den eneste faktor, der afgør kvante computeres effektivt. Der er også connectivity, coherence tid, device cross talk, og circuit software compiler effektiviet.

Alt det har vi foreslået at at kombinere i et nyt mål for kvantecomputeres performance 'Quantum Volume'. Og det spændende er at vi kan se, at quantum computere også følger Moores lov. Holder det fortsat stik, kan vi forvente 'quantum advantage' om 4 til 5 år- Dvs at vi så har kvante computere, der kan klare opgaver, som ingen klassisk computer kan.

Vi holder IBM QUANTUM OPEN HOUSE den 3. april på DTU, hvor I kan få en introduktion til quantum computing af de ypperste eksperter fra IBM Research og sågar selv få lov til at arbejde med en RIGTIG quantum computer. Medbring bare egen tablet eller laptop. Og man behøver hverken være raketforsker eller ph.d for at finde ud af det. Det er gratis.

Peter er selvfølgelig også meget velkommen :-)

Log ind eller Opret konto for at kommentere