KVANTEDATAMASKINER

Melder to store gjennombrudd i kvantedata på én måned

Norsk kvanteforsker: – Et spektakulært steg framover.

Silisium

Silisium er et grunnstoff med kjemisk symbol Si og atomnummer 14.

  • Symbol: Si
  • Smeltepunkt: 1 414 °C
  • Elektronkonfigurasjon: Ne 3s2 3p2
  • Atomnummer: 14
  • Kokepunkt: 2 357 °C
  • Elektroner per skall: 2,8
  • Atommasse: 28,0855 ± 0,0003 u

Kilde: Wikipedia

Australske fysikere fra New South Wales-universitetet (UNSW) har oppdaget to nye metoder som gjør det mulig å utnytte halvlederen silisium for behandling av kvantedata.

Dette kan føre til nye markeder for halvleder-industrien, norsk silisiumsproduksjon og etter hvert IT-industrien.

Ikke minst er gjennombruddene store for NTNUs kvantematerialforskere, med fysikkprofessor Justin Wells i spissen. De har valgt å fokusere mye på silisium og samarbeider tett med det australske forskningsrådet for kvantedata (CQC2T).

Les også: Er det så vanskelig å bevise at kvantedata fungerer?

Slik fungerer kvantedata

Kvantedata er foreløpig ikke innarbeidet i dagligtalen, så en liten introduksjon kan være på sin plass for interesserte lesere.

Dagens datamaskiner kan gjøre tunge utregninger, men de er i prinsippet enkle. En vanlig databit innehar enten verdien på eller av (1 eller 0). Jo flere transistorer, jo raskere kan store datamengder regnes ut. Med dagens teknologi er det snakk om milliarder av sammenkoblede transistorer.

– I en kvantedatamaskin kalles grunnenheten en "qubit" (kvantebit). Denne biten viser ikke simpelthen 0 eller 1. Mer presist er tilstanden en superposisjon av både 0 og 1, og vi vet normalt ikke hva verdien er før vi prøver å lese den, sier Wells til Teknisk Ukeblad.

Enkel forklart kan en kvantebit vise 1 og 0 på samme tid.

Les også: Norsk plast skal utkonkurrere silisium på pris

Irritable databiter

Problemet er at når vi prøver å lese informasjonen, forstyrres tilstanden og qubitens naturlige atferd blir opprørt.

– Du kan tenke på en qubit som raskt svingende mellom 0 og 1. Å "lese" det er som å ta et fotografi: Vi kan fryse det midlertidig i tid og se en spesiell verdi, men dette forteller ikke noe om dets naturlige oscillerende oppførsel. Å utføre kalkulasjoner med en kvantedatamaskin innebærer å "hemme" flere qubits, sier Wells.

Det å observere kvantebits i silisium uten å påvirke den er noe NTNUs institutt for fysikk er verdensledende på.

Les også: Googles mystiske supermaskin skal utnytte kvantemekanikk

Forsvar- og IT-bransjen følger med

Kvantedata vil i teorien være ideelt for optimaliseringsoppgaver innen for eksempel værvarsling, kryptografi, maskinlæring og ingeniørfag.

IT-giganter som IBM, Microsoft og Google er ute etter å mestre denne teknologien. Google eier en påstått, men omdiskutert kvantedatamaskin ved navn D-wave sammen med NASA. Den er de nå i ferd med å modifisere. Forsvarsutstyrsprodusenten Lockheed Martin eier også en.

Les også: Lockheed Martin melder gjennombrudd innen fusjonskraft

Forenklet innføring i kvantedata laget av Microsoft.

To utfordringer

Det finnes flere store utfordringer som må løses for å produsere velfungerende qubits. To av dem er spinn-koherens og feilrate.

Denne måneden fikk UNSW publisert to artikler i Nature Nanotechnology som demonstrerer hvordan de har knekt nettopp disse to, som har vært blant de største utfordringene for kvantedata.

Gjennombruddene kommer fra to separate forskningsgrupper fra ett og samme universitet.

– Det vi har gjort er å ta en slilisumstransistor, modifisert den litt og brukt den til å måle et enkelt atom for å demonstrere en kvantebit. Det er et konkret resultat. Jeg tror det vil stimulere og inspirere halvleder-industrien til å se på hvordan dette kan bevege seg til kommersiell produksjon, sier professor Andrew Dzurak ved UNSW i et intervju med Bloomberg.

Førsteamanuensis Wells ved NTNU og direktør i CQC2T, Michelle Simmons, har samarbeidet om seks artikler om kvantedata de siste to årene. Den siste der de måler innespering av elektroner i silisiumsbaserte strukturer.

De to forskerne utdyper for Teknisk Ukeblad hva disse utfordringene betyr:

Utfordring 1: Feilrate på under 1 prosent

– Feilraten er ganske enkel å forstå. Det betyr at vi noen ganger opplever feil i manipulering og lesing av tilstanden på qubiten. Det er kanskje overraskende, men manipulasjonen og avlesningen trenger ikke være 100 prosent perfekt, sier Wells.

Det kan fint finnes litt feil i dataene, for det finnes metoder som kan korrigere feil i databehandlingen. Inntil et visst punkt.

– En tommelfingerregel er at vi trenger 99 prosents nøyaktighet. Er datafeilene på under en prosent, kan de rettes opp, men mer enn dette blir et stort problem, forklarer Wells.

Gjennombrudd fra UNSW: Forskerne fra begge gruppene skal ha overvunnet denne utfordringen med knusende god margin. De melder en kontroll-nøyaktighet på 99,6 prosent. De skal ha demonstrert to måter å lage en qubit i silisium. Den ene med et kunstig atom. Den andre med et fosfor-atom.

– I beste tilfelle skal de ha observert en nøyaktighet på 99,99 prosent. Uansett, dette er mer enn bra nok for en brukbar qubit, sier Wells.

Les også: Begrepet kunstig intelligens oppstod i 1956. Hvor er vi nå?

FIKK NED FEILRATEN: Bak, f.v.: Andrew Dzurak and Andrea Morello, med de ledende artikkelforfatterne i front f.v. Menno Veldhorst and Juha Muhonen. Paul Henderson-Kelly

Ufordring 2: Spinn-koherens

– Dette er litt vanskeligere å forstå, men det betyr kort forklart at kvanteinformasjonen i qubiten avtar med tiden. Hvis vi forlater qubiten for lenge, vil ytre påvirkninger gjøre at den havner i en tilstand som ikke inneholder nyttig informasjon, sier Wells.

For at en kvantedatamaskin skal fungere, trenger ikke qubitene å være stabile for alltid, men de må være stabile lenge nok.

– Vanligvis, trenger vi stabilitet i en tidsskala på flere sekunder, sier Wells.

Gjennombrudd fra UNSW: Samme forskningsteam har meldt en spinn-koherenstid på 30 sekunder.

– Dette er spektakulært, siden det på mange konkurrerende materialer er snakk om koherenstider på 30 sekunder. 30 sekunder er ikke bare en ny rekord, det er et spektakulært steg framover, og betyr at qubits nå er stabile nok til at komplekse operasjoner kan gjennomføres, sier Wells.

Simmons fra CQC2T er strålende fornøyd med resultatene.

– De imponerende koherenstidene oppnådd i disse silisiumskomponentene er de lengste av hvilket som helst halvledersystem. Gitt produserbarheten av silisiumsmaterialet, lover det ekstremt godt for utviklingen av en storskala kvantedatamaskin i silisium, sier Simmons.

Mer om spinntronikk: Norske fysikere vil gjøre PC-oppstarten lynkjapp

FIKK OPP KOHERENSTIDEN: F.v. Juha Muhonen, Andrea Morello, Menno Veldhorst, og Andrew Dzurak. Paul Henderson-Kelly

Isotopisk rent

Måten de greide å oppnå den svært gode koherenstiden er tilsynelatende enkel. De har fjernet alle ytre faktorer som kan "irritere" qubiten.

– I praksis er ikke dette så enkelt. Det smarte trikset er å bruke isotopisk ren silisium. Silisium inneholder naturlig flere isotoper. Silisium-29 (29Si) er påvist å være den store fienden. Dermed demonstrerer forskerne ekstreme koherenstider når de lager prototype-qubits på isotopisk ren silisium-28 (28Si), sier Wells.

Les også: Dette er verdens 10 mest populære programmeringsspråk

Artistisk gjengivelse av silisium-28-isotop.
Kunstnerisk gjengivelse av silisium-28-isotop. Dr Stephanie Simmons, UNSW

Norge alene om å observere

– Siden den store majoriteten av dagens elektronikk er silisiumbasert, er det en enorm kommersiell fordel i å basere fremtidig teknologi på dette, sa fysikkprofessor og kvantematerialforsker fra NTNU, Justin Wells, til Teknisk Ukeblad i juli.

I disse dager er funnet også av stor betydning for NTNU, som i samarbeid med CQC2T spiller en viktig rolle i kvantematerialforskning.

De jobber med å måle og forstå de innelukkede elektroniske tilstandene som disse qubit-ene er basert på.

Wells og hans forskningsteam er i dag alene i verden om én vesentlig ting: De er i stand til å måle de elektroniske tilstandene i denne typen silisiumstrukturer direkte.

– Sammen med kalkulasjoner fra CQC2T og partnere, gir våre målinger et viktig innblikk i arbeidet med prototype-qubits. Dette arbeidet pågår, og utføres i nært samarbeid med professor Michelle Y. Simmons fra CQC2T, sier Wells.

Les også: Dette metrokartet viser internettets infrastruktur

A schematic representation of the photoemission measurement. UV or X-ray light from a synchrotron light source is used to emit electrons from the delta layer. They are collected and analysed in a hemispherical electron analyser.
Skjematisk fremstilling av fotoemisjonsmåling som gjøres på NTNU. UV- eller røntgenlys fra en synkrotron lyskilde blir brukt til å avgi elektroner fra delta-laget. De blir samlet inn og analysert i en halvkuleformet elektronanalysator. NTNU

Når får vi se en fungerende kvantedatamaskin?

To store hindringer for kvantedata har nylig blitt løst av kvantedata-forskere. Men Wells påpeker at det fortsatt er store utfordringer å overvinne.

– Etter min mening, er det største problemet å lage flere innviklede qubits som kan leses og manipuleres individuelt. Hvordan kan vi forholde oss til en qubit uten å forstyrre dens naboer? Spørsmål som dette er ikke lette å svare på, og må besvares hvis vi skal skape en fungerende rekke qubits som trengs for en brukendes datamaskin. Men jeg er sikker på at arbeid er i gang for å løse dette, sier Wells.

Kunnskap om kvantedata på silisium er avgjørende for å implementere qubits inn i eksisterende teknologi. Avbildet er ferrosilisiumslegering som blir utvinnet av norske selskaper som Elkem og Fesil. Creative Commons
Les også:

Studier av myke materialer kan gi oss helt nye produkter

Forskere mener grafén vil bli et overlegent smøremiddel

Lager flydrivstoff av CO2, vann og sollys