Hva er best som kvantemaskinvare: Superledere, ioner, fotoner eller nøytrale atomer?

Det er nå mange selskaper rundt om i verden som investerer tungt i å utvikle kvantedatamaskiner. Mange har som uttalt mål innen få år å ha en kvantedatamaskin med 1000 kvantebiter eller qubit – eller en tidobling i forhold til i dag.

De bruker svært forskjellige typer teknologier, fordi i prinsippet kan ethvert system brukes som kan være i en superposisjon av to forskjellige kvantetilstander.

IBM og Google bruker superledende tilstander, andre bruker ioner, andre fotoner.

Det amerikanske selskapet ColdQuanta og det franske selskapet Pasqual vil bruke nøytrale atomer. Flere ulike atomer kan i prinsippet brukes. ColdQuanta bruker cesiumatomer.

Forskerne bak ColdQuanta har nå fått et gjennombrudd ved å lage en liten kvantedatamaskin – den har kun 6 qubit – som er fullt programmerbar. Det er den første i sitt slag.

Resultatet er beskrevet i en ny artikkel av forskere fra ColdQuanta og University of Wisconsin-Madison i USA.

Det er interessant fordi i prinsippet kan teknologien skaleres opp på en relativt enkel måte til en mye større kvantedatamaskin. I praksis er det imidlertid noe mer krevende, så veien er fortsatt lang.

ColdQuantas kvantedatamaskin har fått navnet Hilbert, og ifølge selskapets nettside skal den ha mer enn 1000 qubits i 2024.

Alle teknologier har fordeler og ulemper

Alle tenkelige typer maskinvare for kvantedatamaskiner har sine fordeler og problemer.

Derfor har vi ennå ikke en kvantecomputer i en størrelse som kan utføre relevante praktiske beregninger som ikke også kan utføres på konvensjonelle datamaskiner.

Tilfellene med «quantum supremacy» eller «quantum advantage» eller kvanteoverlegenhet, tidligere beskrevet av Google og kinesiske forskere, har vært relatert til spesifikke matematiske beregninger som ikke har noen praktisk relevans.

Men når kvantedatamaskiner får mer enn 1000 qubits, forventer mange at de begynner å bli direkte relevante for bruk i kvantekjemiske beregninger eller optimaliseringsproblemer.

En mye større kvantedatamaskin vil også kunne bryte mange av de nåværende krypteringsprotokollene som brukes på Internett, men det er enda lenger inn i fremtiden.

Fremtidige brukere av kvantedatamaskiner trenger i prinsippet ikke bry seg om hvilken maskinvareteknologi som brukes, og det er stor sannsynlighet for at man i fremtiden vil ha kvantedatamaskiner basert på ulik maskinvare som kan kjøre de samme kvantealgoritmene.

Bedriftene som skal lage kvantedatamaskiner må derimot veie hvilken teknologi de mener er best egnet opp mot hverandre.

Fra universitet til bedrift

Mange av bedriftene som jobber med utvikling av kvantedatamaskiner stammer fra eller har nær tilknytning til universitetsforskningsgrupper som har jobbet med ulike kvantesystemer i mange år, og som derfor har svært ulik kompetanse. Dette er grunnen til at mange forskjellige teknologier har blitt brukt.

University of Wisconsin-Madison i USA og Institut d'optique tilknyttet Université Paris-Saclay i Frankrike har jobbet med kalde atomer i en årrekke, det vil si atomer som ved manipulering med lasere kan bringes så langt ned i temperatur og hastighet at de kan fanges med andre lasersystemer i en fastlåst konfigurasjon.

Det er en forskning som også er knyttet til de spesielle Bose-Einstein-kondensatene av ultrakalde atomer som Lene Vestergaard Hau brukte for rundt 20 år siden til sine banebrytende eksperimenter med sakte lys.

Forskningen ved University of Wisconsin-Madison danner grunnlaget for ColdQuantas innsats for å utvikle en kvantedatamaskin basert på nøytrale atomer. Forskning innen samme felt ved Institut d'optique danner grunnlaget for det franske selskapet Pasqual, som ønsker å lage en helt lik kvantedatamaskin.

Kalde atomer, men varm chip

En kvantedatamaskin basert på nøytrale kalde atomer vil ha den fordelen at den ikke må avkjøles til samme lave temperaturer som den vil være for kvantedatamaskiner basert på superledende qubits.

Riktig nok er atomene ‘kalde’, men hele brikken trenger ikke å være det.

I en kort artikkel i New Scientist som beskriver det nye amerikanske forskningsresultatet, forklarer Andrew Daley fra University of Strathclyde i Storbritannia at fremskritt innen kvanteteknologi basert på nøytrale atomer har gjort store fremskritt.

– I de kommende årene kan det bli en seriøs konkurrent til superledende qubits og ioner, sier han.

Mikhail Lukin fra Harvard University, som også er forsker på dette feltet, sa nylig til det amerikanske tidsskriftet Symmetry, som ellers først og fremst fokuserer på partikkelfysikk:

– Nøytrale atomer er de mest naturlige kandidatene for qubits.

Men det er mange utfordringer ennå. Mark Saffman, professor ved University of Wisconsin-Madison og sjefforsker i ColdQuanta og som har ledet arbeidet som er skissert i den nye vitenskapelige artikkelen, forklarer til New Scientist:

– Jeg vil ikke på noen måte overdrive hvor langt vi har kommet, og veien til utvikling av kvantedatamaskiner vil trolig være brattere enn det motsatte.

Motstridende hensyn i enhver kvantedatamaskin

Kalde atomer er som nevnt atomer som ikke beveger seg særlig mye. Trikset er at når de først har kjølt seg ned med en teknikk som nå er standardprosedyre, kan de holdes fanget av laserstråler som danner et optisk gitter.

Denne teknikken er også noe flere danske forskergrupper bruker.

En kvantedatamaskin basert på nøytrale atomer krever sannsynligvis at atomene er kalde, men brikken de er plassert på trenger ikke å avkjøles til nær absolutt null, slik tilfellet er med en kvantedatamaskin basert på superledende teknologi.

Når du utfører en kvantealgoritme, må du bringe to qubits i fysisk kontakt med hverandre, så de får sammenfiltrede kvantetilstander (de blir «entangled»).

En kvantedatamaskin må derfor kunne ha en sterk sammenheng mellom qubits, som kan slås av eller på på kommando. Dette må gjøres samtidig som qubits har en svak tilknytning til omverdenen – fordi det vil ødelegge kvanteegenskapene.

En kvanteberegning ender imidlertid alltid opp med en såkalt måling av qubitene. Dette er måten du får resultatet ut av en beregning, og på den måten er det nettopp en kontakt til omverdenen.

Disse motstridende hensynene er den helt generelle utfordringen i alle typer kvantedatamaskiner.

Ved å innføre former for feilretting kan man rette opp den destruktive koblingen til omverdenen, men den kan aldri helt unngås. Feilretting i forbindelse med kvantedatamaskiner er ikke umulig, men vanskelig, så det er et veldig stort forskningsområde.

Kontakt med mellom qubit som er langt fra hverandre

I alle kvantedatamaskiner er det enkelt – eller i det minste relativt enkelt – å oppnå sammenfiltring mellom to qubit som er naboer.

Hvis kvantealgoritmen krever at det er sammenfiltring mellom to qubits som er fysisk lenger fra hverandre, må gjentatte operasjoner brukes. Det vil øke antallet feil som må rettes i etterkant.

Et av triksene med en kvantedatamaskin basert på nøytrale atomer er at man relativt enkelt kan skru opp og ned koblingen mellom qubits som er lenger fra hverandre, og man får dermed en enklere driftsform.

Teknikken går ut på at man effektivt kan gjøre atomet større ved å bringe det inn i en eksitert tilstand i form av et såkalt Rydberg-atom.

Dette er sannsynligvis den avgjørende fordelen ved å bruke nøytrale atomer fremfor andre kvantesystemer.

– Det gir mulighet for mer effektiv feilretting enn i kvantedatamaskiner basert på superledende qubits, ifølge Mark Saffman.

Om fordelen er stor nok, og om man kan løse de store ingeniørutfordringene med å bygge en slik kvantedatamaskin med mange tusen qubits, vil tiden vise.

Hvilken maskinvareteknologi som vil bli den mest vanlige i en kvantedatamaskin er fortsatt åpent for debatt.

Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.