Det pågår en kapplöpning inom såväl industrin som akademin om att vara först med att utveckla en funktionell kvantdator. Till exempel utvecklar både Google och Chalmers tekniska högskola egna kvantdatorer som ska kunna utföra avancerade beräkningar som dagens traditionella superdatorer inte klarar av.
Förhoppningen är att kvantdatorer ska revolutionera flera olika vetenskapliga fält som läkemedelsframställning, materialutveckling och fördjupad förståelse för hur naturlagarna fungerar.
– Om vi på sikt ska kunna komplettera vanliga datorer med kvantdatorer så behöver de fungera i rumstemperatur. Vi undersöker vilka material som skulle kunna vara lämpliga för det, säger Rickard Armiento, forskare i teoretisk fysik vid Linköpings universitet och examinator för Oscar Groppfeldt.
Kvantbitar sköter beräkningen
Det finns i huvudsak tre olika principer som kvantdatorer kan bygga på – supraledande kretsar, kvantpunkter i halvledare och materialdefekter. Att beskriva hur de tre principerna faktiskt fungerar skulle kräva en del tid. Men de delar ändå några grundläggande drag.
En kvantdator jobbar med något som kallas kvantbitar, eller qbits, för att hantera information. Det skulle gå att jämföra qbits med ettor och nollor som i en vanlig dator. Det som skiljer sig är att en qbit inte måste vara i det ena eller det andra läget, utan kan finnas i alla positioner mellan ett och noll. Detta kallas för superposition och öppnar för möjligheten att hantera mycket mer information på mindre yta.
Kvantbiten, när vi pratar om materialdefekter, är egentligen en elektron som befinner sig mellan två energinivåer i en atom, det vill säga i superposition. När en elektron tar upp energi från ljus (en foton) hoppar den upp en energinivå. Men elektronen kommer oundvikligen att återgå till sitt ursprungliga tillstånd, och då avger den en foton. Den här optiska processen används för att bearbeta information i en kvantdator. Genom att manipulera elektronens energinivåer i materialet kan den hamna i superposition och mängden information den kan hantera ökar.
Exjobb på Y-programmet
Det Oscar Groppfeldt gjort i sitt masterarbete på civilingenjörsprogrammet i teknisk fysik och elektroteknik (Y-programmet) är att undersöka vilka materialdefekter som skulle kunna vara lämpliga för framtida kvantdatorer. Den vanligaste materialdefekten som många utgår från idag är diamant där man tagit bort två kolatomer och i stället lagt till en kväveatom. Det kallas NV-center. Men det finns många andra alternativ.
– Föreställ dig att vi har en kristall där atomerna upprepar sig i en rymd, och så plockar du bort någonting, som till exempel en kväveatom. Då uppstår vad vi kallar en defekt som kan ge en massa intressanta tillstånd, som går att manipulera och få ut information ifrån. Men då behöver man ju ha en defekt som är vettig, säger Oscar Groppfeldt.
Materialdefekter är precisa
En defekt kan ju låta som att materialet är skadat och därför uppstår en slumpmässighet. Men i det här fallet är det helt tvärt om. Det handlar om väldigt precisa ändringar i materialets struktur som forskarna vill utnyttja.
För att hitta en ”vettig defekt” har Oscar Groppfeldt utgått från en lista med tänkbara kandidater och kört simuleringar med hjälp av superdatorer på dem.
– Jag har kört igenom totalt 13 material med ungefär 4000 defekter. Jag stötte på problem med att vissa av materialen beter sig olika i olika riktningar. Därför fick jag skriva ihop lite ny kod för att täcka den typen av materialbeteende, säger Oscar Groppfeldt.
Det han har gjort är att med datorberäkningar simulera elektronerna i en rad olika material där han systematiskt bytt ut och tagit bort atomer för att se vilka optiska egenskaper som går att utnyttja för kvantbitar.
Superdatorer är nyckeln
Enligt Joel Davidsson, postdoktor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi samt exjobbshandledare för Oscar Groppfeldt, hade arbetet inte varit möjligt för bara 10 till 15 år sedan. Det är utvecklingen av superdatorkraft som är nyckeln.
– Det skulle vara jättemycket jobb bara att realisera något av de här systemen i ett labb. Med hjälp av superdatorerna så löper vi igenom alla möjliga alternativ och letar efter defekter i material som vi kan manipulera på rätt sätt, säger Joel Davidsson.
Resultaten från examensarbetet är publicerat i en stor databas med materialdefekter som drivs vid LiU och är öppet tillgänglig via Internet för andra forskare och företag som vill fortsätta utvecklingen av kvantdatorer. Oscar Groppfeldt fortsätter att leta fler potentiella defekter, men nu som doktorand på Avdelningen för teoretisk fysik vid LiU.
– Exjobbet var ju kul! Jag har inte riktigt jobbat så mycket med materialfysik innan men det var spännande och kul att lära sig något nytt. Det är ju roligare att göra någonting som är utmanande än att bara ta den enkla vägen.
Här finns databasen med materialdefekter: ADAQ Database
