Verdensberømte forskere havde øjnene rettet mod København, dengang Niels Bohr forandrede verden med sine teorier om kvantefysik. Kvanteforskningen på KU tiltrækker igen international opmærksomhed. I nyt stort projekt har lektor Morten Kjaergaard og hans team bygget Danmarks største kvantecomputere. Nu skal de i gang med eksperimentere.
Når den lillebitte chip i kvantecomputeren rammer minus 273 grader, sker magien. Partiklerne begynder at opføre sig efter kvantefysikkens uforståelige love. Men selvom de er uforståelige, er det også dem, der giver kvantecomputeren potentialet til at løse nogle af verdens helt store udfordringer. Og Københavns kvanteforskning tiltrækker stor opmærksomhed fra hele verden.
”Hvis kvantemekanikken ikke gør dig svimmel, har du ikke forstået noget som helst”. Sådan sagde den danske fysiker Niels Bohr for snart 100 år i siden. Men lektor Morten Kjaergaard fra Københavns Universitet holder tungen lige i munden, når han orkestrerer opbygningen af Danmarks kraftigste kvantecomputere.
Hvis kvantemekanikken ikke gør dig svimmel, har du ikke forstået noget som helst
Eventyret startede i 2007, da Morten Kjaergaard var bachelorstuderende på fysik. Nu står han i spidsen for en enorm kvantesatsning på Københavns Universitet.
I år tager han sammen med sin forskningsgruppe et stort skridt frem, når de sætter strøm til en af Europas største kvantecomputere. De skal undersøge, hvordan Bohrs principper kan bruges i en helt ny form for supercomputer.
Udfordringerne er mange, og ingen kender endnu kvantecomputerens fulde potentiale. Vil den kunne accelerere den grønne omstilling? Kan den lære os mere om universets fundamentelle byggeklodser? Eller kan den bane vejen for mere effektiv biokemisk forskning til udvikling af medicin.
Forskerne og verdens ledere har store forhåbninger.
På få år er København igen blevet et epicenter for international kvanteforskning. Præcis som på Niels Bohrs tid for 100 år siden.
Når den nye kvantecomputercentral er på sit maksimum, vil de to nye kvantecomputere kunne studere op til 25 kvantebits samtidigt. Det er ca. fem gange så mange, som den næststørste kvantecomputer i Danmark.
Computer vs. kvantecomputer
Det lykkedes i 2019 Google at bruge 53 superledende kvantebits i en kvantecomputer til at udføre en udregning på tre minutter. Man forventer, at det ville tage verdens største supercomputer cirka fire uger at lave samme regnestykke, selv hvis den kørte for absolut fuld kraft.
IBM's Summit-supercomputer har milliarder og atter af milliarder af helt almindelige bits og er bygget op omkring tusindvis af forbundne servere.
Den fylder hele 520 kvadratmeter og vejer mere end 340 ton. En kvantecomputer inkl. alt udstyr vejer et par hundrede kilo og kan snildt være i et almindeligt kontorlokale.
Den skinnende, åbne kvantecomputer er et sjældent syn også for forskerne. Når kvantecomputeren er tændt, er den pakket ind i flere lag isolering for at kunne holde de iskolde temperaturer, der er afgørende for, at den virker. Når en komponent udskiftes, bliver isoleringslagene fjernet, og derefter skal kryostaten blive varm nok til, at man kan arbejde med den. Når komponenten er udskiftet og computeren lukket, begynder den lange nedkølingsproces.
Mange af komponenterne i computeren er belagt med guld. Guld reflekterer varme og sørger for at holde varme væk fra de dele af computeren, der skal være nær det absolutte nulpunkt for at fungere.
Mekanikeren
Morten Kjaergaard betegner først og fremmest sig selv som kvantemekaniker. Han er især optaget af udviklingen og konstruktionen af selve mekanikken – de fundamentale byggeklodser – i en kvantecomputer. Som lektor og projektgruppeleder ved QDev – Center for Quantum Devices og NQCP – Novo Nordisk Foundation Quantum Computing Programme er han med til at bygge de nye kvantecomputere.
Med et stort hold af forskerkolleger og studerende arbejder Morten Kjaergaard målrettet på at gøre kvantebits mere stabile og brugbare. Da han selv var studerende, var det svært at forestille sig, at Danmark en dag skulle huse milliondyre projekter med udvikling af kvantecomputere.
En fryser er afgørende
En kvantecomputer som denne består af en fryser - en såkaldt kryostat - med en kvantechip i bunden.
Det har krævet tre Nobelpris-opdagelser at nå til det punkt, hvor man kunne bygge en kryostat, der er så kold, at en kvantecomputer kan fungere. Nedkølingen sker ved hjælp af helium.
De allersidste graders nedkøling mod det absolutte nulpunkt står de to cylindre i højre side af billedet for. Bag en af de andre vigtige komponenter står en dansk startup udsprunget af KU.
Det kræver både praktisk snilde og nøje planlægning at bygge de avancerede kvantecomputere. Computerne bliver hængt i loftet for at undgå forstyrrende rystelser. Inden da har forskningsgruppen planlagt hver en detalje og udvalgt komponent i computerne.
En uges arbejde er her kondenseret ned til ét minut:
Eksperimenterende tilgang
Morten Kjaergaards rejse ind i kvantecomputernes verden begyndte i 2007. En sidebemærkning om kvantecomputere fra en underviser på et af hans første kurser på fysik vakte hans interesse.
- Jeg har altid været en computernørd og bygget computere hele mit liv. Så da jeg første gang hørte om muligheden for at kombinere kvantefysik og computervidenskab, var jeg solgt, siger Morten Kjaergaard.
Interessen for kvantecomputere har ført ham til elitegrupper på Harvard University og MIT (Massachusetts Institute of Technology) i USA, hvor han blev skolet af de førende internationale kvantecomputerforskere.
Hvis du taler med mig igen om nogle år, vil du ikke høre mig sige: ’satans, kvantecomputeren kan stadig ikke beregne noget superkomplekst’
I 2020 vendte han tilbage til der, hvor hele rejsen startede: Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet. Hans forskningsgruppe, SQuID Lab (Superconducting Quantum Information Devices Lab), forsker i innovative metoder til udvikling og brug af superledende kvantecomputere. Sammen med andre forskningsgrupper arbejder gruppen på at udvikle et fundament, der gør det muligt at lave beregninger, som i dag er utænkelige for almindelige computere. Mens store teknologifirmaer som IBM og Google især fokuserer på at skabe store og effektive kvantecomputere, har SQuID Lab en unik position til både at eksperimentere med og optimere computerne.
De største udfordringer
Kvantecomputere bliver bygget i frysere, kryostater, fordi partiklerne i kvantebitsne er ustabile og overfølsomme over for påvirkninger udefra - fx temperatursvingninger. Fryseren går helt ned til minus 273,14 grader. Det er en hundrededel af en grad over det absolutte nulpunkt – og cirka 100 gange koldere end i det ydre rum.
Den lillebitte processor, som egentlig er kvantecomputeren – en samling af kvantebits – er computerens hjerne og sidder i bunden af fryseren. Det er her partiklerne, der ikke må forstyrres, befinder sig. Selv i den iskolde fryser er de kun stabile i 1/10000-del af et sekund, før de igen bliver ustabile. Det gør det svært at nå at få fat i de endelige beregninger, man beder computeren om.
Kvantecomputeren fungerer i mikrosekunder
Gruppen udfører både teoretiske og praktiske eksperimenter for at udvikle og teste forskellige typer såkaldte superledende kvantebits, og ikke mindst afprøve, hvordan de kan maksimere regnekraften for hver enkelt kvantebit.
Det er næsten som om, naturen opfordrer os til at gribe denne mulighed
Forskerne ved ikke, om man har fundet den endegyldige metode til at konstruere den type kvantecomputere, som i fremtiden er nødvendige for, at vi kan bruge deres regnekraft mere bredt og ikke kun til forskning. Derfor giver den eksperimenterende tilgang god mening.
- Hvis du taler med mig igen om nogle år, vil du ikke høre mig sige: ’satans, kvantecomputeren kan stadig ikke beregne noget superkomplekst’. Uanset hvad er jeg sikker på, at vi på det tidspunkt vil have opnået en dybere forståelse af, hvordan man udvikler kvantecomputere. Endnu vigtigere har vi lært af vores fejl undervejs. Og i den proces bidraget til værdifuld forskning og uddannelse, siger Morten Kjaergaard.
Så indviklet, at Einstein ikke kunne acceptere det
Kvantemekanik er den teori, der ligger til grund for kvantecomputeren. Den har så kringlede konsekvenser, at selv Albert Einstein gik i graven uden at kunne acceptere flere af dem.
Det handler blandt andet om, at partikler kan være i såkaldt superposition. Det er også superposition, der spiller en afgørende rolle for kvantecomputerens evner.
Vi kan tilbyde ultrasofistikerede forskningsmuligheder med noget af det bedste udstyr i verden
Forestil dig en almindelig computer som en boks med små enheder kaldet bits. Det er antallet af bits, der afgør, hvor stor regnekraft en computer har. Hver bit består af transistorer, der enten kan være tændt (1) eller slukket (0).
Derfor er kvantecomputere så hurtige
Svend Krøjer Møller, postdoc i SQuID Lab, forklarer herunder, hvorfor superposition gør kvantecomputere så meget hurtigere end en almindelig computer.
Det indviklede består blandt andet i, at partiklerne stopper med at være i superposition, når man måler på dem. Det lyder ubegribeligt. Morten Kjaergaard er selv stadig forundrer over, hvor overraskende og kompleks kvantefysikken er. Men for ham er det vigtigste – og mest fascinerende – at teorien holder i praksis, og at vi rent faktisk kan bygge en computer, der udnytter Bohrs hundrede år gamle principper. Og måske vil kvantecomputeren i fremtiden kunne løse det, der i dag er uløseligt, ved at bruge netop kvantefysikkens ufattelige love.
- At vi har opnået evnen til at kontrollere naturen så præcist, at vi kan konstruere kvantecomputere, er i sig selv helt vanvittigt og fascinerende. Faktisk uanset hvilke anvendelser en fremtidig kvantecomputer får. Det er næsten som om, naturen opfordrer os til at gribe denne mulighed. Og med den teknologi og sofistikerede forståelse af kvantebits, vi har i dag, er det en invitation, vi ikke kan afslå, siger Morten Kjaergaard.
Sammenfiltring: Kvantebits opfører sig ens
Superposition i sig selv er ikke ”nok” til at lave kvantebits og ultimativt kvantecomputere. Kvantemekaniske systemer udnytter også en anden og lige så ubegribelig kvante-evne: Sammenfiltring (entanglement). Sammenfiltring gør, at to kvantebits i superposition kan opføre sig ens – ikke bare lidt ens, men fuldstændig ens. Så hvis to kvantebits i superposition har været i kontakt, vil de efterfølgende være sammenkædet og opføre sig helt ens. Også hvis de efterfølgende er meget langt fra hinanden.
Det vil sige, at i det øjeblik én kvantebit og kollapser fra sin superposition, vil den anden også gøre det. Og hvis den ene kvantebit kollapser til 1, vil den anden kvantebit også kollapse til 1 – fuldstændig simultant.
Forestil dig to qubits som snurretoppe. Når de snurrer rundt, er de i superposition – som i videoen med Svend. Hvis de to snurretoppe kommer i kontakt med hinanden, bliver de forbundet for evigt. Det betyder, at lige meget hvor i universet, de befinder sig, vil de opføre sig ens. Så hvis den ene snurretop stopper på rød, stopper den anden samtidig – også på rød. Ikke bare lidt efter, men i nøjagtig samme millisekund – uanset om afstanden mellem de to snurretoppe er på tværs af landegrænser, planeter eller solsystemer.
I geniernes fodspor
Fremtidsperspektivet har Morten Kjaergaard med sig i ledelsen af sin forskningsgruppe SQuID Lab. Her følger unge forskere, ph.d.-studerende og seniorforskere i fodsporene på legenderne, mens de dykker ned i bølger, partikler og algoritmer gennem kvantecomputerens komplekse elektronik. Og der er rift om at komme med på holdet.
- Vi tiltrækker nogle af de dygtigste studerende fra hele verden. Vi kan tilbyde dem ultrasofistikerede forskningsmuligheder med noget af det bedste udstyr i verden, blandt andet det laboratorie, vi lige nu er ved at etablere, så vi sammen kan skubbe grænserne for kvantecomputerforskning, siger Morten Kjaergaard.
Han prioriterer at træne og undervise studerende – en tilgang han har lært af de professorer, som var hans mentorer, da han selv var studerende og forsker på nogle af de bedste universiteter i verden.
- Vi får enormt meget igen, fordi de unge, dygtige studerende bidrager med nye, friske og kreative input samtidig med, at de bidrager til at opbygge en rar stemning, hvor alle føler sig tilpasse, siger Morten Kjaergaard.
Nogle af gruppens medlemmer udforsker grænserne for kvantefysik, mens andre fokuserer på, hvordan man bedst kobler kvantebits eller eksperimenterer med at undgå fejl og forstyrrelser, når man arbejder med mange kvantebits på én gang.
Ministre og verdensledere ser stort potentiale
Rygterne om et helt unikt kvantemiljø tiltrækker de skarpeste hjerner fra hele verden til Danmark og København. På få år er København og omegn blevet hjemsted for forskningsmiljøer og startups, der baserer deres forretning på kvanteteknologien. Opmærksomheden fra ministre og verdensledere, som ser potentialet i kvanteteknologien, er heller ikke til at tage fejl af.
- Det vidner om vores stærke internationale position på området. Det glæder mig også at se, hvordan projektet lægger op til et tæt samarbejde på tværs af virksomheder, universiteter og sundhedsvæsenet. Det er helt i tråd med regeringens strategiske forskningsprogram, som vi søsatte i forsommeren med den nationale strategi for kvanteteknologi, og forhåbentlig kan projektet bringe kvanteteknologien tættere på at bidrage til løsninger inden for blandt andet sundhed og klima, siger uddannelses- og forskningsminister Christina Egelund om kvantecomputerindsatsen.
Det arbejde, Niels Bohr satte i gang for over 100 år siden, har forsker efter forsker ført videre. Som Morten Kjaergaard har de insisteret på at bidrage til videnskabelige nybrud. Hele verden har fået øjnene op for, at Niels Bohr Institutet og Danmark igen har et kvantefysik-forskningsmiljø i topklasse. Og hvem ved. Måske sker det lige her i København igen – det næste store kvantegennembrud.
Om projektet
De nye kvantecomputere på Københavns Universitet er støttet af Novo Nordisk Foundation Quantum Computing Programme (NQCP) og Applied Quantum Computing Denmark (DanQ, støttet af InnovationsFonden). Forskningen i laboratoriet er også en del af NQCP centeret, som fokuserer på at forbedre de følsomme kvantebits med bl.a. avanceret materialeforskning til at udvikle komponenter til fremtidige kvantecomputere.
Forskerne i projektet skal de næste fire år samarbejde med førende kvanteforskere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Boston. Med to identiske kvantecomputer-setups skal de køre parallelle eksperimenter, sammenligne resultater og udveksle både forskere og ideer.
Har du spørgsmål eller kommentarer?
Kontakt redaktionen på medieteam@adm.ku.dk
Fotograf: Nikolai Linares