En svensk kvantdator med okänt uppdrag

Längst ner i kryostaten på kvantteknologilaboratoriet på Chalmers är temperaturen bara 0,01 grader över den absoluta nollpunkten. Därinne, i en cylinder av stål isolerat från magnetfält och störande signaler från omgivningen, finns ett chip med några pyttesmå supraledande kretsar. Från en kontrollpanel vid sidan av cylindern kan Jonas Bylander skicka en mikrovågspuls till kretsarna. Vips ändrar de sitt tillstånd från ”av” till ”på”, eller till både ”av” och ”på” – samtidigt. Välkommen till kvantdatorernas värld.

– Man vänjer sig, säger Jonas Bylander med ett leende. Han är en av forskningsledarna för bygget av den svenska kvantdatorn och van att förklara de mystiska kvantmekaniska lagar som gör den så kraftfull.

I kvantmekanikens värld beter sig ingenting som vi är vana vid. Kvantpartiklar kan befinna sig på två ställen samtidigt, det som kallas superposition. Det kan också finnas samband mellan två eller flera partiklar, trots att de inte har någon kontakt och kan befinna sig på stora avstånd från varandra.

I en kvantdator utnyttjas dessa egenskaper för att räkna ut saker som blir alltför komplext för vanliga datorer. Nyckeln till de här superkrafterna ligger i att beräkningsenheterna som kallas kvantbitar eller qubits inte är begränsade till att bara vara ”på” eller ”av” – ”etta” eller ”nolla” som i en klassisk dator. De kan superpositionera sig och därmed befinna sig i båda lägena samtidigt. För varje ny kvantbit fördubblas därmed antalet tal som kvantdatorn kan räkna med samtidigt. För vissa typer av problem innebär det att en kvantdator med omkring 60 kvantbitar eller mer är överlägsen dagens bästa superdatorer.

Chalmers använder supraledande kretsar som beter sig kvantmekaniskt, “som om” de vore partiklar eller atomer. Det finns även andra typer av kvantdatorer. Den vanligaste vid sidan av supraledande kretsar använder så kallade jonfällor.

En stor, fungerande kvantdator skulle kunna användas för att knäcka de krypton som används för säkerhet på nätet genom att räkna ut vilka nycklarna är. Den skulle också kunna simulera molekyler för att hitta nya material, som kan fånga elektroner mer effektivt i en solcell, eller användas som läkemedel. Ett tredje användningsområde där kvantdatorn spås slå den klassiska datorn på fingrarna är olika typer av optimeringsproblem.

Per Delsing, professor i kvantkomponentfysik och chef för Wallenberg Centre for Quantum Technology, där bygget av kvantdatorn ingår, talar om ett paradigmskifte.

– Det innebär ett helt nytt sätt att tänka kring beräkningar, säger han.

Chalmers har under lång tid legat i världstoppen när det gäller att förstå och manipulera enstaka kvantbitar. Men att gå från en eller några enstaka till att bygga en hel kvantdator är ett stort steg. Arbetet kom i gång i fjol tack vare en stor donation från Wallenbergstiftelsen. Målet är att den om nio år ska bestå av 100 kvantbitar och klara beräkningar som dagens datorer inte klarar.

– Det tror jag är en rimlig ambition, säger Per Delsing.

Vid Chalmers har redan ett tjugotal forskare och doktorander knutits till projektet och fler ska anställas. En ny större kryostat i mångmiljonklass är på väg att köpas in. På labbet jobbar forskarna med att steg för steg bygga ut kvantdatorchipet med fler kvantbitar. I dag finns som mest fem på ett chip.

– Om ett och ett halvt år är vi uppe i 16, säger Per Delsing.

Idén om en kvantdator föddes på 1980-talet men var länge en dröm som såg närmast omöjlig ut att uppnå. Chalmersforskarna liksom många andra grupper har ägnat mer än 20 år åt att lära sig kontrollera och manipulera enskilda supraledande kvantbitar och fått dem mer långlivade. Under de senaste åren har tekniken accelererat och forskarna fokuserar nu även på att koppla ihop flera kvantbitar och göra räkneoperationer med dem.

Den snabba utvecklingen har gjort att även pengar strömmar till. Flera av världens största it-företag har hela avdelningar som utvecklar kvantdatorteknik. Det finns redan en handfull mycket enkla kvantdatorer. Några är till och med tillgängliga över internet och kan programmeras av vem som helst.

I början av året lanserade till exempel IBM sin senaste kvantdator med 20 kvantbitar. Andra företag som utvecklar kvantdatorteknik är Google, Microsoft och Intel, liksom en rad nystartade företag som backas upp av riskkapital.

I Kina är kvantteknik ett prioriterat så kallat ”megaprojekt” och landet är i full gång med att bygga upp ett gigantiskt nationellt labb som ska stå klart nästa år. Och landet har redan bevisat att man ligger långt framme. Redan för tre år sedan skickade Kina upp världens första satellit för kvantkommunikation. (F&F 1/2017).

I USA klubbade regeringen nyligen igenom en femårig kvanttekniksatsning på motsvarande 10 miljarder kronor. EU satsar lika mycket på ett nytt tioårigt så kallat Flagship. Där ingår bygget av en europeisk kvantdator i tyska Jülich, som ska göras öppen för utomstående forskargrupper.

Tack vare den svenska satsningen har Chalmersforskarna också kommit med i konsortiet som bygger den europeiska kvantdatorn. Tidplanen är ambitiös. Målet är att nå 100 kvantbitar redan om tre år. Jonas Bylander ser det som en stor fördel att Chalmers kvantdatorchip kommer att sitta i båda maskinerna.

– Samarbetet gör att vi kan komma snabbare framåt.

För även om kvantdatorerna tagit stora kliv mot att bli verklighet så befinner de sig fortfarande i början av sin utveckling och utmaningarna är stora, om inte gigantiska.

Tillbaka till kryostaten i Chalmers labb. Jonas Bylander förklarar att så länge kvantbitarna sitter där isolerade och utan att störas av omgivningen är allt frid och fröjd. Men minsta lilla störning risker att bryta den kvantmekaniska förtrollningen. Det räcker med en liten temperaturhöjning eller ett materialfel i form av en enstaka molekyl för att kvantbitens känsliga superpositionstillstånd ska kollapsa. På kvantdatorspråk kallas det dekoherens.

– Det är detta som gör kvantdatorer så svåra att bygga, säger Jonas Bylander.

Han berättar att man jobbar hårt på att förbättra själva kvanthårdvaran genom att förbättra materialen och tillverkningsprocessen samt hur chippet paketeras och kyls ner i kryostaten. I Chalmers renrum, där kretsarna etsas i supraledande material på en kiselskiva, pågår arbetet med att förstå och minska orenheterna som kan störa beräkningarna.

En annan utmaning är att kontrollera kvantbitarna. Om kvantdatorn ska gå att programmera måste kvantbitarna också kunna manipuleras så att de intar olika lägen. I de supraledande kvantbitar som Chalmers bygger används väl avvägda mikrovågspulser. De motsvarar energin hos enstaka fotoner och används både för att programmera kretsarna och läsa av resultatet.

När man räknar med en kvantdator påverkar man kvantbitarna upprepade gånger och läser sedan av resultatet. Än så länge går det bara att göra väldigt enkla beräkningar eftersom risken för fel i den känsliga hårdvaran är alltför hög. Det finns metoder för att kontrollera om fel uppstår men felkorrigeringen stjäl då värdefulla kvantbitar som kunde ha använts för själva beräkningen.

Jonas Bylander förklarar att noggrannheten måste under en kritisk nivå för att kvantdatorn ska kunna nå sin fulla potential.

– Felfrekvensen för varje kvantbits-manipulation måste vara under 0,1 procent och där är vi ännu inte.

Och ännu klarar kvantdatorerna bara mycket enkla uppgifter som att dela upp talet 15 i faktorerna 3 och 5. Eller simulera en mycket liten molekyl som bara består av tre atomer, uppgifter som en vanlig dator klarar utan problem. En milstolpe som alla i kvantdatorvärlden strävar mot är dagen då en kvantdator löser ett problem som är alltför svårt för en vanlig dator. Enligt Per Delsing är Chalmersforskarnas tidshorisont på tio år realistisk, även om det finns andra som lovar att det kommer att ske mycket tidigare.

– Det är en stor hajp och det skrivs så klart mest om de som lovar mest.

Vilka problem som den svenska kvantdatorn kommer att lösa är heller ännu inte klart. Där är industrin med och påverkar. Med i projektet är bland andra läkemedelsföretaget Astra Zeneca.

– Det är intressant för oss att se vilka problem som företagen är intresserade av och det styr i sin tur vår forskning. Det kan till exempel vara att simulera molekyler som är intressanta för läkemedelsindustrin.

Olika typer av optimeringsproblem och uppgifter inom maskininlärning tros också bli uppgifter för framtidens kvantdatorer, men långt ifrån alla problem lämpar sig bäst för en kvantdator.

– Det mest troliga är att de första kvantdatorerna är uppkopplade mot en superdator där kvantdatorn löser vissa komplexa deluppgifter. Men vad som i framtiden blir den bästa användningen av en kvantdator – det vet vi ännu inte, säger Per Delsing.