9. december 2020

Stort gennembrud: Danske forskere kan nu nå ‘quantum advantage’

Kvantefysik

Forskere fra Københavns Universitet er nu så langt fremme med deres kvanteteknologi, at klassisk computerteknologi ikke længere kan følge med. De har udviklet en chip, som med økonomisk hjælp kan skaleres op og bruges til at bygge fremtidens kvantesimulator. Resultatet er udgivet i dag i det videnskabelige tidsskrift Science Advances.

holdet bag
Holdet bag resultatet. Fra venstre: Camille Papon, Freja Pedersen, Cecilie Olesen, Peter Lodahl, YingWang, Xiaoyan Zhou, and Ravitej Uppu fra Niels Bohr-Institutet. Foto: Ola J. Joensen

Først kom Google, men nu melder danske forskere fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet sig også på banen i kapløbet om bl.a. at bygge den første kvantecomputer med det, de selv kalder et “stort gennembrud”.

“Vi har nu værktøjet, der gør det muligt at bygge en kvantesimulator, som kan udkonkurrere den klassiske computer. Det er et stort gennembrud og første skridt ind på ukendt territorium i kvantefysikkens verden,” siger professor Peter Lodahl, som står i spidsen for Center for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q).

Helt konkret har forskerne udviklet en nanochip, som ikke fylder mere end en tiendel af tykkelsen af et menneskehår. Med denne chip kan de producere tilstrækkeligt mange og stabile lyspartikler (fotoner) kodet med kvanteinformation til, at teknologien kan skaleres op, og nå det såkaldte ’quantum advantage’: Et stadium hvor kvanteteknologien vil slå verdens kraftigste supercomputer i en given beregningsopgave. 

Et eksperiment til 50 millioner kroner

Forskerne har ikke udført et egentligt ’quantum advantage’ eksperiment, men har i deres videnskabelige artikel udgivet i Science Advances bevist, at deres chip producerer den kvantemekaniske resource, som vil kunne udnyttes direkte i et ’quantum advantage’ eksperiment med allerede demonstreret teknologi.

For at nå dertil kræver det, at man kan kontrollere omkring 50 kvantebits, eller qubits, som er kvantefysikkens pendant til binære bits med nul og ettaller, som bruges i vores almindelige computere, i et omfattende forsøgs set up, som ligger langt uden for universitets økonomiske rækkevidde.   

”Det vil måske koste os 50 millioner kroner at lave et eksperiment som kontrollerer 50 fotoner, som Google gjorde det med superledende qubits, og det har vi simpelthen ikke råd til. Men det vi som forskere kan gøre, er, at udvikle en fotonkilde og bevise, at den vil kunne anvendes til at opnå ’quantum advantage’, og til det har vi udviklet den fundamentale byggeklods,” siger adjunkt Ravitej Uppu, der er førsteforfatter på resultatet.

”I mellemtiden vil vi bruge vores fotonkilder til at udvikle nye og advancerede kvantesimulatorer, som skal løse komplekse biokemiske problemer inden for fx udviklingen af medicin. Vi vil således allerede nu forberede de næste skridt for teknologien. På et universitet kan man etablere fundamentet for teknologien, og demonstrere hvilke muligheder der er, mens den reelle teknologiske opskalering kræver større satsninger. Vi vil arbejde på at etablere et stærkt europæisk konsortium af akademiske og industrielle partnere med fokus på at byggefotoniske kvantesimulatorere med ’quantum advantage’,” fortsætter Peter Lodahl. 

Lys forude for at opskalere kvantecomputere

Der er forskellige skoler inden for udviklingen af qubits til kvantecomputeren, som adskiller sig ved hvilken ”kvantebyggeklods”, man starter med: atomer, elektroner, eller fotoner. De forskellige platforme har fordele og ulemper, og det er fortsat svært at forudsige hvilken teknologi, der vil vinde.

Den store fordel ved kvantecomputere baseret på lys er man allerede har teknologi til rådighed for at opskalere til mange qubits, da advancerede fotoniske chips allerede er udviklet til telecom industri. En hovedudfordring har været at generere foton qubits med tilstrækkelig høj kvalitet, og det er her forskerne har opnået et gennembrud.

”Danmark og Europa har stolte traditioner inden for kvanteoptisk forskning, og samtidig en stærk telecomindustri og infrastruktur. Det ville være virkelig spændende at kombinere disse styrkepositioner i en storstilet satsning på fotoniske kvantecomputere. Det ville være fantastisk at være med til en proces, som går hele vejen fra fundamental kvantefysik til nye teknologiske anvendelser,” siger Peter Lodahl.

Fakta:

  • Forskerne har udviklet en nanochip, som er i stand til at producere hundredevis af lyspartikler (fotoner), som kan bruges til at gemme enorme mængder data i form af kvanteinformation

  • Nanochippen producere lyspartikler med information, og kan bruges som hardware i fremtidens kvantecomputer på samme måde, som vi bruger elektriske transistorer i vores computere i dag

  • Forskningen er finansieret af Danmarks Grundforskningsfond, European Research Council, og Styrelsen for Forskning og Innovation og er et samarbejde med Universitet Bochum, Tyskland.