Utvikler fremtidens kvantepartikler i Skandinavia

– Dette er faktisk Microsofts største laboratorium i hele verden, sier Chetan Nayak, og slår ut med armene. Han er professor i kvantefysikk og en av Microsofts fremste eksperter på kvantemaskinvare – en såkalt «Technical Fellow».

Til vanlig jobber han i California, der teorien bak Microsofts kvantedatamaskin utvikles, men nå står han foran oss i et nokså anonymt kontorbygg i Danmark. Det er her teori skal bli til virkelighet.

Ti kilometer nord for København, i den lille byen Lyngby, ligger det grå kontorbygget på 17.000 kvadratmeter med en bitteliten Microsoft-logo over inngangsdøren. Flere vi møter vet ikke en gang at teknologigiganten holder til her: Butikklogoene hos Lyngby storsenter på den andre siden av gaten er mye mer iøynefallende.

Likevel er det her de jobber for å utvikle verdens første, topologiske kvantedatamaskin.

Perfekt struktur

Allerede i 2018 åpnet Microsoft en lab her, men det er først nå i høst de har fått samlet alle de nødvendige laboratoriene for kvanteutviklingen på ett sted: Material-laben hvor de lager materialet som støtter den topologiske fasen qubitsene trenger, renrommet hvor de lager strukturer på nanoskala, og kryogen-laben hvor brikkene kjøles ned slik at de kan kjøre tester på materialet.

– Vi har samarbeidet lenge med både Niels Bohr Institutet her i Danmark og TU Delft i Nederland, men nå er vi i skaleringsfasen og trenger mer fokus. Med egne laboratorier kan all fabrikasjon og testing skje på ett sted, samtidig som vi får samlet vår kompetanse i Lyngby, sier lableder Lauri Sainiemi, og følger oss inn i material-laben som ble innviet i sommer.

Både den og renrommet – som ble offisielt åpnet i november – ligger i en vindusløs, logoløs og sterkt sikkerhetsvoktet del av førsteetasjen under leilighetsbygget vegg i vegg med kontorobygget.

Midt i rommet står en stor maskin, en såkalt MBE. Både deler av maskinen og flere av serverskapene langs veggene er dekket til med aluminiumsfolie. Folien skjuler detaljer de ikke vil at journalister skal dele bilder av. Likevel får vi en demonstrasjon, og grundig forklaring av prosessen.

– Halvlederen er hjertet i vår topologiske qubit, fordi det er i den bølgefunksjonen til qubiten sitter. Alt vi deretter mønstrer oppå det, er for å kontrollere tilstanden til den underliggende halvlederen. Den har en perfekt krystallinsk struktur som gjør at vi kan plassere hvert eneste atom i et helt nøyaktig og spesifikt system på toppen, slik at qubitsene får de riktige egenskapene, sier Sainiemi.

Microsoft bruker en indiumfosfid-wafer som substrat.

Etter at waferen er matet inn i MBE-en, varmes den opp til 150 grader for at all fuktighet og organiske rester skal fordampe.

Deretter flyttes den til høyvakuumkamre hvor det bygges atomlag oppå waferen.

Først lag av halvlederen indiumarsenid, som deretter toppes med superlederen aluminium i et unisont mønster.

I det gamle laboratoriet var alle prosesser manuelle med stor risiko for menneskelige feil, og de brukte en dag på å ferdigstille en liten brikke. I den nye laben kan de helautomatisk dyrke og ferdigstille en hel wafer med åtte brikker på 12 timer.

MBE-maskinen går 24 timer i døgnet, og de åtte waferne de kan mate inn samtidig er gjennom hele prosessen på to døgn. Da har de 64 nye brikker som potensielt kan gi dem logiske qubits. Herfra sendes de videre til analyser, nedkjøling og testing.

– Hele tiden bruker vi KI aktivt både for å monitorere prosessen og forbedre materialene, så for oss er ikke KI en chatbot, men noe som hjelper oss både med innovasjon og kvalitet. Vi liker å kalle oss verdens første KI-drevne maskinvare-lab, og det er noe vi er stolte av, sier Sainiemi.

Partiklene først

Mens de som bor i etasjene over kommer hjem fra jobb, ikler vi oss fullt beskyttelsesutstyr fra topp til tå: Heldrakt med hette, munnbind, hansker og skotrekk. Kamera og telefon må desinfiseres før vi går inn i renrommet. Kvantepartiklene er nemlig så sensitive for påvirkning at vi utgjør en trussel for teknologiutviklingen.

Her inne er det egne systemer som skal kansellere elektriske felter, aktive piezoelektriske stoffer som skal dempe vibrasjoner, og de viktigste maskinene står i tillegg på vibrasjonsdempende plater. Alt for at strukturene som bygges på nanonivå ikke skal bli påvirket av jordens magnetfelt, eller at beboerne i leilighetene over tar heisen. Men det første vi fysisk reagerer på er det svært varmgule lyset. Noen av oss føler oss svimle, men lyset er også av hensyn til partiklene: De reagerer både på hvitt lys og elektronstråler, så uten det gule lyset hadde det ikke vært mulig å lage strukturene.

Første trinn her inne er å dekke waferen og atomlagene med en resist. Den spinnes på i et jevnt og tynt lag som ikke kan være høyere enn 100 nanometer. Det går nesten like raskt som en jetmotor, med 5000 omdreininger per minutt, og er avgjørende for at alle de åtte brikkene på hver wafer skal få samme størrelse og like kretsmønstre.

Deretter skal det bygges strukturer som bare er et titalls nanometer brede ved hjelp av elektronstråle-litografi. Det er her vibrasjoner og elektromagnetiske felter kan utgjøre forskjellen på suksess og fiasko.

Videre skal strukturene gjøres permanente, og da må de tilbake i et vakuumkammer. Denne prosessen gjentas i flere omganger, for å bygge lag på lag med porter og kretsmønstre. Microsofts utsendte kaller det brikkens vinduer og vegger.

Så skal metallagene og de dielektriske lagene måles og kontrolles for å være ensartet. Det skjer i den mest normale industriroboten vi har sett her: En med to armer som løfter waferne, og et kamera og en sensor i «hodet».

Igjen kommer KI inn i bildet. Dataene de samler inn i renrommet brukes på nytt til å rangere waferene, slik at de kan velge hvilke de skal prioritere å kjøle ned: Hvilke kvantebrikker har størst potensial for å bli logiske qubits?

All denne informasjonen, innhentet helt fra fabrikasjonen av atomene til chipene programmeres, mener Microsoft det vil være umulig for en ingeniør å huske på. Derfor bruker de KI.

Siste ledd i renrommet er å koble de bitte små nanoledningene til kvanteprosessoren. Dette ser ut som normal prosessorproduksjon, og ifølge Microsoft vil det se likt ut om de har åtte qubits som nå, eller én million. Men selskapets utsendte, som vi kaller ham fordi vi ikke har fått lov til å navngi andre enn sjefene, omtaler kvantestatusen slik:

«Nå ser jeg på det som om vi har en enebolig med stor hage, i form av få bits på en stor tomt. Det er veldig enkelt for oss å gjøre om den eneboligen til et leilighetsbygg, med mange flere kvantebits på samme område».

Kort fortalt: Først påføres en resist som en midlertidig maske.

Deretter bygges strukturer som må gjøres permanente. Porter og kretsmønstre lages i vakuumkamrene i bakgrunnen.

De måles og kontrolleres her for å være sikre på at alt er produsert identisk.

Siste ledd i renrommet er å koble de bittesmå nanoledningene til kvanteprosessoren.

Det er så smått at vi må se prosessen forstørret for å oppfatte ledningene.

20 nasjonaliteter

Vi går tilbake til kontorbygget. I tredje etasje her ligger kryo-laben. De store «kjøleskapene» som holder kvantebitsene stabile på absolutt nullpunkt kan skimtes gjennom glassvegger når de rundt 500 Microsoft-ansatte i Lyngby beveger seg opp og ned mellom etasjene. Men bare en håndfull ansatte har nøkkelkort som åpner dørene inn hit.

Etter at materialene er bygget lag for lag, og enhetene er produsert og nanofabrikert, er det hit de kommer for å bli testet og integrert i Microsofts qubit-avlesningssystem.

I kryo-laben er det to team: Ett som har ansvar for målinger og ett som har ansvar for systemintegrasjon. Det er viktig at de jobber tett sammen, selv om hovedkontorene til disse to teamene geografisk er langt unna hverandre: Systemteamet har tilholdssted i Seattle i USA, mens målerteamet har base i Lyngby.

Likevel er det en representant fra systemteamet med doktorgrad i nanoelektronikk fra MIT som har flyttet til Danmark og nå viser oss rundt i kryo-laben. Hun forteller at det er ansatte fra 20 ulike nasjonaliteter i Lyngby, men begge avdelingslederne i kryo-laben er amerikanske.

– Vårt hovedproblem her inne vil være å opprettholde kjøleeffekten når antallet nanoledninger inn i chipen øker. Vi er nødt til å holde enheten kald, akkurat som andre kvanteteknologier. Men fordelen vi har er CMOS-chipen inntil kvantebrikken: Den gjør at vi ikke er avhengige av alle disse ledningene når vi skal oppskalere, fordi kontrollen styres på millikelvin-nivå av qubiten. I mine øyne er det et steg på veien mot å kunne nærme seg romtemperatur for qubit-håndteringen, sier hun.

Kvantebrikkene som kommer hit fra renrommet, blir koblet til diagnostiske kort når kvaliteten skal bedømmes.

Her isoleres qubit-enhetene for å ikke bli påvirket av støy. De festes til diagnose-kortet med tynne ledninger.

«Kjøleskapene» er fortynningskjølere, altså kryogene kjølesystemer som ofte kalles «lysekroner», på grunn av de nærmest dekorative lagene av kobber og gullfarget ledningsføring.

De kjøler ned kvanteenhetene til millikelvin-temperaturer. Det er kaldere enn i verdensrommet.

Teoretisk gullgruve

Det er mange veier til målet om en fungerende kvantedatamaskin. Mens giganter som IBM og Google satser på superledende qubits som bygger på kunstige atomer som går i superledende, elektriske kretser styrt av mikrobølger, er det andre aktører som tror på ladede atomer i elektromagnetiske felt (ionefeller), nøytrale atomer som fanges med laserlys (nøytrale qubits) eller fotoner som lagrer informasjon i polarisasjon eller fase (fotoniske qubits).

Superledende qubits har kommet lengst, og ekspertene mener noe av årsaken er at de er silisiumbaserte. Vi har mye erfaring med silisium, siden det har vært grunnlaget for halvledere helt siden transistoren ble oppfunnet på slutten av 1940-tallet.

Mange mener det er på 40-50-tallet vi er i dag med kvante, om vi skulle sammenligne utviklingen med den som har vært for tradisjonelle datamaskiner.

Det er bare Microsoft som satser på topologiske qubits. Teoretisk er det en gullgruve: Det er det eneste kvante-alternativet som er selvkorrigerende.

Topologiske kvantebits er kvasipartikler som sitter i hver sin ende av en nanotråd (1D-wire). Disse kalles Majorana-partikler, og har sin styrke nettopp i at de er to deler på hver sin ende: Om den ene partikkelen forstyrres, blir ikke den andre påvirket. De fletter informasjon, og lagrer historikk om hvordan kvantetilstander endrer seg. For eksempel om de bytter plass med eller mot klokken. Partiklene oppfører seg rett og slett som sine egne antipartikler. De er ikke knyttet til enkeltatomer, men til kollektive kvantetilstander i spesielle materialer. Og de er nøytrale.

Alt dette gjør dem mye mer robuste mot støy fra omgivelsene enn andre kvantemetodikker – i teorien. I praksis er det en skjørhet i at Majorana-partiklene ikke er demonstrert utenfor et laboratorium.

– Ikke bevist

Postdoktor Hans Waardal Heum ved Simula UiB forklarer at topologiske qubits er svært teoretisk materialfysikk, fordi det kreves partikler som ikke naturlig eksisterer i universet vårt. De må simuleres.

IBM sin teknologi er langt mindre elegant, sier han, men samtidig har de allerede en godt dokumentert kvantedatamaskin på 1000 qubits, selv om den er så ustabil at den ikke kan brukes til praktiske beregninger.

Microsoft presenterte i februar i år Majorana 1, deres første kvantebrikke med topologisk kjerneteknologi. Den har åtte qubits, men skal ha plass til én million. Det er det som regnes som terskelen for når en QPU kan utføre de beregningene ingen CPU eller GPU klarer.

– Utfordringen med å ettergå det Microsoft presenterer er at jeg ikke finner det bevist at de har funksjonelle, topologiske kvantebits. Mange i miljøet er skeptiske. De som jobber med dette er garantert veldig stolte av teknologien og tror på det, men det er veldig vanskelig å gjenskape resultatene deres i uavhengige laboratorier når de ikke publiserer alle forskningsdata. Det ville være en revolusjon om Microsoft fikk det til, når forskere har prøvd i 30 år uten å lykkes, sier Heum.

Gunnar Felix Lange, postdoktor ved Fysisk institutts seksjon for materialfysikk og kvanteteknologi ved UiO, har ikke satt seg godt nok inn i de konkrete dataene Microsoft har publisert til å kommentere dem, men sier det er imponerende om de har kommet så langt som de sier:

– Klarer de å løse problemet med å skalere opp vil de ha en fordel, fordi topologiske qubits trenger mindre feilkorrigering enn for eksempel superledende qubits. Når du får mer ut av hver qubit, er det også lettere å skalere opp, sier han.

– Mer sikker enn noen gang

Chetan Nayak har jobbet med kvantefysikk i Microsoft i 20 år. Han innrømmer at de fulgte noen blindspor og rotet litt i den tidlige majorana-utviklingen, men nå mener han de har funnet riktig vei og stadig opplever fremgang.

Han forstår at noen kan tvile når de publiserer så lite av forskningen sin, men det er det naturlige årsaker til, sier han:

– Dette er proprietær teknologi, så det vil alltid være aspekter vi ikke kan dele med alle. Vi deler imidlertid alt med DARPA, som har gitt oss gode tilbakemeldinger. Det er alltid nyttig å få uavhengige evalueringer.

– Er du fortsatt overbevist om at topologiske qubits er den beste kvanteteknologien?

– Ja, jeg er mer sikker nå enn jeg noen gang har vært. Vi mener arkitekturen til Majorana-chippen gir oss alle forutsetninger for å oppskalere: Den har plass til én million qubits på en chip som både er liten og rask, og vi har en klassisk prosessor (CPU) ved siden av kvanteprosessoren (QPU) som gir oss digital kontroll av de topologiske qubitsene. Så fort vi får qubitsene mer stabile, kan vi ha kvantedatamaskiner i datasentre over hele verden, sier Nayak.

Reserveplanen

– Har dere en plan B om det likevel ikke skulle fungere?

– Jeg vil ikke si at vi har en plan B, men vi utforsker mange ulike metoder. I bunn og grunn er vi et plattform-selskap, så øverst i bunken ligger alltid programvare og applikasjoner. Og så kommer kvante-feilkorreksjon, sier Nayak.

I sommer annonserte det nordiske kvanteinitiativet QuNorth at Microsoft og Atom Computing skal samarbeide for å levere kvantedatamaskinen Magne. Den drives av nøytrale qubits, bygges i København, og skal ha 50 logiske qubits når den etter planen står ferdig innen utgangen av 2026.

– Det høres litt ut som en plan B?

– Det er ikke en plan B i seg selv, men vi tror at det på sikt vil bli flere ulike typer qubits. Dagens datasentre har både X86-CPU-er, ARM-prosessorer og GPU-er. I fremtiden mener vi at du på samme måte vil se ulike typer kvantemaskinvare som er egnet til å løse forskjellige oppgaver. Det vil også være et prisspørsmål, for du trenger ikke bruke kvante-kraften fra en million qubits om spørsmålet du skal ha svar på kan løses med tusen, sier Nayak.

Kvante-Chat-GPT

Microsoft har hatt tilholdssted i Danmark i 20 år, siden lenge før de startet med kvante. Den stadige oppmuntringen fra kommunen, lokalt næringsliv og politikere er også årsaken til at de blir der. De opplever velviljen som stor, og engasjementet likeså – helt opp til regjeringsnivå.

Likevel er ikke selskapets mål å selge data og beregninger fra Danmark:

– Vi er og blir et skybasert selskap, så kvanteteknologien vi utvikler vil bli i våre datasentre. For oss er målet at sluttbrukeren skal få et svar hvor de slipper å bry seg om hvordan resultatet du får presentert er fordelt mellom CPU-er, GPU-er og kvanteprosessorer. Til syvende og sist ønsker vi at sluttbrukeren bare skal presentere problemet for en chatbot, og så tar vi hånd om resten, sier Chetan Nayak.

Gunnar Felix Lange har tro på at kvantedatamaskinene blir å finne i store datasentre, men at det vil være et stykke frem i tid før de kan gjøre automatiske beregninger. I dag må man ofte programmere hver eneste kvanteport.

– Det er viktig å påpeke at kvantedatamaskiner ikke vil løse alle problemer bedre, men håpet er at det skal gi oss mye bedre presisjon for noen problemer og derfor blant annet redusere behovet for labtester, sier han.

Microsoft mener fortsatt at kvanteteknologi kan bidra til enorme fremskritt både innen medisin, logistikk og materialutvikling.

– Jeg har alltid kalt meg en kvante-entusiast, men jo mer jeg studerer faget, jo mer skuffet blir jeg – og kanskje mer realistisk. For meg er det mer og mer tydelig at kvantedata aldri vil bli noe annet enn et forskningsverktøy. Folk flest vil aldri merke at det finnes, sier Hans Waardal Heum.