Teknik

Kvantdatorer revolutionerar forskningen – så bygger du en egen 

Alla vill ha dem, men få vet hur man gör. Nu bjuder Magasin Utopian som första vetenskapsmagasin någonsin på ett steg-för-steg recept på en kvantdator med supraledande kretsar. Dessutom ingår en beskrivning av vad man kan använda den till.

Vad skiljer en kvantdator från en vanlig dator? Den minsta enheten där information lagras i en dator kallas bit. Den har antingen värdet ett eller noll. En bit i en kvantdator, en kvantbit, kan anta både värdet ett och värdet noll. Detta tillstånd kallas för superposition. Det går att göra en analogi mellan datorer och labyrintspel. En vanlig dator använder en kula. Den testar en lösning åt gången. Kvantdatorn skiljer sig genom att den har tillgång till flera kulor. På det sättet kan den testa flera lösningar samtidigt. 

När vi tänker på hur en dator ser ut ser vi kanske en rektangulär låda framför oss. I närheten står en datorskärm och ett tangentbord. En kvantdator är någonting annat. Skärm och tangentbord är längre ifrån. Datorn är gömd i en kryostat, en slags frys. Kvantdatorer som använder supraledande kretsar måste förvaras på en plats där det är strax över minus 273 grader, det som kallas för den absoluta nollpunkten. Skälet till det är att det ska uppstå så lite värme-redundans, motstånd, som möjligt i kretsarna. För att det ska gå att göra stora beräkningar med datorn krävs att det knappt är något motstånd. Beräkningskraften står kvantbitarna för. För att datorn ska utvecklas måste man lägga till sådana till chippet. För att göra det måste man öppna upp kryostaten. När man har lagt till sin kvantbit monterar man den cirkelformade plattan och fäller ner kryostaten. Sedan väntar man ungefär ett dygn på kryostaten att bli kall nog för att det ska gå att göra beräkningar.

Utmaningar

Till skillnad från dagens elektronik, där energi går förlorad i form av värme, har supraledande material förmågan att leda elektricitet helt utan energiförluster. Men vägen till praktiska tillämpningar hindras än så länge av en rad utmaningar. En svårighet är att supraledande tillstånd ofta kräver extremt låga temperaturer, ner mot minus 200 grader celsius. För att tekniken ska kunna användas utanför laboratorier behövs material som klarar att bibehålla supraledning i högre temperaturer.

En studie gjord av forskare på Chalmers – publicerad i den vetenskapliga tidsskriften Nature i år – tar oss ett steg på vägen. Genom att skulptera om ytan på materialet som chippet består av kunde supraledning framkallas vid högre temperaturer. Materialet i fråga tillhör materialfamiljen kuprater¹. Till vardags kan man hitta kuprater i magneter. För att bibehålla supraledning i högre temperaturer behövde forskarna skulptera om ytan.

Att göra det visade sig vara svårt då materialet endast är någon nanometer tjock, det vill säga tunnare än en miljondels hårstrå. Forskarna började med att placera materialet på ett bärande underlag, ett så kallat substrat. Därefter gjorde de justeringar på nano-nivå i substratets yta. När man flyttade om substratets atomer ändrade även atomerna i kupratet på sig. Förändringen i hur atomerna var placerade gjorde materialet supraledande i högre temperaturer. Framsteget för oss ett steg närmare ett kvantsystem som inte kräver en lika avancerad kryostat.

Vad skulle kvantdatorer kunna användas till i framtiden?

Kvantdatorers beräkningsförmåga ökar i kvadrat. Det innebär att när man lägger till en kvantbit fördubblas förmågan. 2, 4, 8, 16 osv. 300 kvantbitar kan hantera fler siffror än det finns atomer i universum. Kvantdatorer är alltså bra på allt som har med siffror att göra. Av den anledningen kan kvantdatorer hjälpa till att göra väderprognoser, optimera logistik och stärka krypton.

Upptäcka sjukdomar och testa läkemedel

Kvantdatorer kan även simulera proteiner för att förstå veckningsdynamik. Veckningsdynamik beskriver det fenomen när proteiner veckar sig och får sin funktion. Ibland kan veckningen gå fel och proteiner klibba ihop sig. En följd av det kan vara alzheimers sjukdom, parkinson och vissa tumörsjukdomar. Dessa sjukdomar skulle kunna upptäckas genom simulationer av en kvantdator.

Ett annat sätt att genom kvantdatorer förstå kroppen är att utnyttja dess förmåga att skapa kristaller, närmare bestämt kristaller som saktar ner ljus. Sådana kan hjälpa till att avbilda kroppsdelar och därigenom upptäcka sjukdomar. Ultraljud och laser skickas in i kroppen mot den kroppsdel som ska avbildas. När ljudet och ljuset kommer i kontakt med varandra uppstår en liten skiftning. Det är svårt att fånga upp det skiftade ljuset eftersom att det är en minimal del av det totala ljuset. Med hjälp av kvantteknik kan man skapa kristaller som fungerar som ett filter. I kristallerna bromsas det skiftade ljuset till ett par tiotals kilometer per sekund. Detta i jämförelse med ljusets hastighet i vakuum som är 299 792 kilometer per sekund. När ljuset kommer ut på andra sidan kan man därför lättare uppfatta vilket det skiftade ljuset är och efter det avbilda kroppsdelen.

Kvantdatorer kan även användas för att på ett bättre simulera hur läkemedels-molekyler reagerar mot den omgivande miljön. Dagens högpresterande datorer kan ta oss en bit på vägen, men för att verkligen få effekt krävs kvantdatorer.

Energieffektivisering

Kvantdatorer skulle i framtiden kunna lösa konstgödselproduktion på ett mycket mer energieffektivt sätt än vad som nu är möjligt. Det finns flera sätt att tillverka konstgödsel på. Ett är att låta kväve och vätgas reagera med varandra, men processen är energikrävande eftersom att den sker under högt tryck och höga temperaturer. Istället för att man ”tillsätter” tryck och temperatur skulle en kvantdator kunna efterlikna ett enzym som kan utföra samma process mer energieffektivt.

1. Nobelpriset 1987 gick till J. Georg Bednorz och K. Alexander Müller för upptäckten av keramiska materials supraledande förmåga, däribland kuprater. ↩︎