Morten vil udvikle verdens mest effektive kvantecomputer

Når forskeren ikke skriger i et punkband eller løber rundt om søerne i København, arbejder han på fremtidens eminente computer.

Morten Kjærgaard er eksperimentel fysiker ved Center for Quantum Devices (QDev), en underafdeling på Niels Bohr Institutet under Københavns Universitet. Han forsker i materialer til kvantecomputere, der måske kan blive fremtidens computer. Lige nu er forskningen på grundforskningsstadiet. (Foto: Hanne Kokkegård - DR Videnskab © Hanne Kokkegård - DR Videnskab)

Der er travlt på 1. sal på H.C. Ørsted Instituttet i København denne formiddag. Her forsker 15 mennesker på Center for Quantum Devices i fremtidens formidable regnemaskine, som post.doc. Morten Kjærgaard kalder kvantecomputeren.

Forskerne regner med, at arbejdsdagene først slutter ud på natten, for de er ved at gøre klar til det første af flere forsøg med et nyudviklet materiale til kvantecomputeren.

- Hvis forsøget med dette nye materiale lykkes, vil det være et karrieredefinerende og gigantisk øjeblik, ikke bare for mig og mine kolleger – men for hele forskningsfeltet, siger Morten Kjærgaard.

Morten Kjærgaard er en af de fem finalister i Ph.d. Cup 2016, som DR arrangerer sammen med dagbladet Information for at øge fokus på behovet for god forskningsformidling.

Forskning skal ekspandere med kvantecomputeren

Man har snakket om kvantecomputeren i mange år, og forventningerne til den er store.

Den skal gøre det muligt at regne på ting, som i dag slet ikke er muligt, fordi selv ved hjælp af en supercomputer vil visse udregninger tager mange tusinder af år, og så siger det sig selv, at udregningen ikke længere er relevant.

- Kvantecomputeren kan få forskningen inden for mange forskningsfelter til at ekspandere. Kvantecomputeren vil kunne få os mennesker til at stille helt andre spørgsmål til naturen omkring os og undersøge den på en anderledes måde, end vi gør i dag, forklarer Morten Kjærgaard.

Centret hører under Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, og centret har blandt andet modtaget mange millioner kroner af it-giganten Microsoft, der i lighed med Google og Intel tror på kvantecomputer-teknologien.

Støjfølsomhed svækker kvantecomputeren

Sådan set er kvantecomputeren udviklet, men de nuværende udgaver er ikke gode til at huske. Og derfor kan en stærk computer i dag godt hamle op med kvantecomputeren.

Computere og smartphones indeholder tusindvis af transistorer. Problemet med de særlige kvantetransistorer er, at de mister hukommelsen eller ikke forstår signalerne, hvis der er støj i dataoverførelsen. Når man kobler flere transistorer sammen, øges støjfølsomheden med de nuværende kvantetransistorer.

I stedet har Morten Kjærgaard og kollegerne sammen med udenlandske partnere udviklet et materiale til kvantetransistorerne, hvor kredsløbet – formentligt – indeholder en særlig partikel - Majorana-partiklen - der har en indbygget langtidshukommelse. Det vil gøre det nemmere at koble kvantetransistorerne sammen.

I disse dage er Morten Kjærgaard og hans kollegaer i fuld gang med at bygge kredsløbet, som kan vise, om Majoranas partikel findes i deres materiale.

Punkmusik, løb og forskning hænger sammen

På Morten Kjærgaards kontor finder man træningstøj og løbesko, for han løber ofte i frokostpausen for at koble af og samle energi.

- Jo værre vejret er, jo koldere og klammere det er, jo mere tænker jeg, hvor er det fedt, at jeg er kommet af sted, siger han.

Lige nu har han dog en sort punk-t-shirt på, der vidner om hans interesse for punkmusik og kulturen omkring det. Når han ikke er i laboratoriet er han en del af Do It Yourself-punkscenen i København. DIY handler om, at man ikke behøver være ekspert for at gøre tingene, man kan nemlig selv indspille sine albums ude i øvelokalet og arrangere koncerter, hvis man brænder for det.

Og der er faktisk sammenhæng mellem både hans træningsiver, at skrige i et punkband og så forskningen. Et aspekt i DIY-kulturen er nemlig, at det implicit er hårdt arbejde og kræver udholdenhed at stable alting på benene selv.

Do-it-yourself og forskningen

Etikken i DIY-kulturen spiller en stor rolle for Morten Kjærgaard som forsker.

- Jeg tror, at hvis man skal blive glad som forsker, bliver man nødt til at nyde processen i forskningen, og ikke kun de videnskabelige artikler og resultater som kommer ud til allersidst, for de resultater kan altså være ret så lunefulde, forklarer han.

- På samme måde handler DIY om at kunne lide processen i at lave sin egen musik, producere sit eget artwork og selv finde pladeselskaber, uddyber han.

Det er den, vi bruger til at putte vores mikrochips ind i, og når de er inde i ’prøveholderen’, kan vi putte den ned i fryseren og nedkøle materialet til minus 273 grader. Det er en dyr og sær adopter, som vi selv har udviklet – størrelsen, hvor mange ledninger, der skal være osv. som er meget vigtigt for vores eksperiment, siger Morten Kjærgaard (Foto: Hanne Kokkegård - DR Videnskab © Hanne Kokkegård - DR Videnskab)

Gennembruddet på ph.d.’en

Den tilgang er vigtig for Morten Kjærgaard, for først efter 2,5 års hårdt slid inde i hans treårige ph.d.-projekt opnåede han et gennembrud – lige på falderebet.

Computere og smartphones indeholder som nævnt transistorer. Og det er den kvantemekaniske udgave af en sådan transistor, som han skulle udvikle en ny type af. Problemet var bare, at de materialer han arbejdede med overhovedet ikke gav pote det første lange stykke tid.

Gennem en genistreg udtænkt af kollegaerne Peter Krogstrup og Thomas Jespersen sammen med centrets samarbejdspartner i Santa Barbara i USA fandt man dog frem til en speciel måde at fremstille materialet på, så det nu virker.

Nytten af kvantecomputere

Københavns Universitets forskning kan bane vejen for den formidable regnemaskine, som, alle venter på, lever op til forventningerne.

- En kvantecomputer kan regne visse problemer ud sindssygt meget hurtigere end selv de største computere, vi har i dag. Men den skal have hundredvis kvantetransistorer for at nå dertil, siger Morten Kjærgaard.

- Vores mål er derfor en kvantecomputer med et par hundrede kvantetransistorer, for så vil vi kunne overgå regnekraften i de største supercomputere, der findes i dag. Så på den måde vinder kvantecomputeren ræset over en supercomputer med hundredvis af milliarder transistorer, siger han.

Udregningen nedsættes fra 10.000 år til få dage

Inden for medicinsk forskning vil man fx gerne forstå, hvordan proteiner ser ud. Man håber at fremstille medicin med en proteinstruktur, som man gerne vil have overført til et menneske. Og så skal proteinstrukturen interagere med celler og helbrede mennesket.

Men det er meget svært inden for bioteknologien at finde ud af, hvordan en streng af aminosyrer skal folde op for at lave protein og også finde ud af, hvordan det virker i kroppen.

- For nogle proteiner vil det måske tage en supercomputer, lad os sige, 10.000 af år at teste, om det er rigtigt. Derfor er der mange problemer, som man ikke tænker på at løse i dag, fordi man ved, at selv om løsningen ville være super fed at have til sin forskning, så giver det ingen mening at lade en computer regne i 10.000 år for det er ikke en tidsskala, som vi er interesseret i, siger Morten Kjærgaard.

- Derimod kan en kvantecomputer løse de komplicerede udregninger på få dage, siger han.

Her står Morten Kjærgaard ved fryseren. (Foto: Hanne Kokkegård - DR Videnskab © Hanne Kokkegård - DR Videnskab)

Køles ned til -273 grader

Forskerne har afprøvet forskellige materialer, og for ni måneder siden blev de klar over, at lige det her materiale virker. Morten Kjærgaard har siden da afsluttet sin ph.d. og brugt tid på at dække alle data omkring materialeegenskaberne, og nu skal det så for alvor testes.

Forsøget handler om at måle en strøm, som skal opføre sig på en helt særlig måde. Hvis den gør det, kan man kalde det en kvantetransistor.

Forskerne skal fremstille et mikrokredsløb, som de sætter ind i en fryser, der køler materialet ned til -273 grader celsius – eller mere præcist lige over det absolutte nulpunkt. Det er én grad koldere end ude i rummet. Når der bliver så koldt, begynder kvanteeffekterne at vise sig, og det er det, som de er interesseret i.

- Hvis kredsløbet opfører sig som en kvantetransistor, high-fiver vi, og begynder med det samme at bygge det næste kredsløb, hvor vi rent faktisk kan lave beregninger. Det vil være gigantisk for os, siger Morten Kjærgaard.

Morten Kjærgaard og hans kolleger har travlt med fryseren, man kan se yderst til højre (med guldbelægning). Denne formiddag var fryseren åben, fordi man forberedte eksperimentet. (Foto: Hanne Kokkegård - DR Videnskab © Hanne Kokkegård - DR Videnskab)

Mødet mellem naturlovene og filosofien

Morten Kjærgaard taler begejstret om sin forskning, der både har rødder tilbage til Niels Bohrs erkendelsesteori og fødslen af moderne computerteknologi.

- Kvantemekanik er et vildt fedt møde mellem noget dybt og filosofisk på den ene side og noget relevant for det moderne samfund på den anden side. Niels Bohr var meget optaget af, hvad kvantemekanik gør ved vores erkendelse af naturen, mennesker osv. Og samtidigt er kvantecomputeren en praktisk og brugbar maskine, som kan løse alle mulige interessante og vanvittigt vigtige problemer, som vi som mennesker står over for. Det spændfelt tiltaler mig meget, siger Morten Kjærgaard.

- Derudover er det en pudsig ting, at naturen har kvanteeffekter, og der er åbnet en lem for, at mennesket gerne må udnytte dem til at bygge noget, som vi selv vil have. Det kunne have været sådan, at der bare var for svært – ting skulle køles for meget ned til, at vi kunne gøre det, eller ting kunne være så små, at det med den teknologi, vi har nu, ikke kunne lade sig gøre. Men her falder tingene ud til vores fordel, siger han.

Drømmescenariet er USA

Morten Kjærgaard og hans kolleger håber, at de inden for få måneder, eller i hvert fald inden for et år kan observere Majoranas partikel i deres kvantetransistor-kredsløb.

Hans egen post.doc.-stilling løber frem til nytår, og han vil gerne bliver i kvantecomputer-verdenen.

Han er allerede i gang med at snakke med andre forskningslaboratorier, der arbejder med lignende projekter. Og drømmescenariet er, at han selv og hans kone, der arbejder inden for konsulentbranchen, får job i USA, hvor han tidligere har læst fysik.

- Jeg er meget positiv omkring, at kvanteteknologi både grundforskningsmæssigt og højteknologisk bliver til noget, siger han.

Du kan opleve Morten Kjærgaard i Ph.d. Cup 2016 lørdag den 16. april på DR2 klokken 20.

Kvantefysik viser sig, når vi zoomer helt ind

  • Kvantefysik er de naturlove, der gælder, når man zoomer langt nok ind på naturen omkring os.

  • Når man zoomer ind på det allermindste niveau, viser det sig, at den fysik, som vi kender fra hverdagen, ophører med at eksistere. Fx at en kuglepen falder ned, når vi taber den. Niveaumæssigt taler vi om noget, der måske er 10 gange mindre end en nanometer, som er 1/1.000.000.000 af en meter.

  • Mennesket har udviklet mikroskoper, så man kan kigge på de skalaer og se enkelte nanometre og tage billeder, der viser den atomiske struktur i materialer.

  • Den særlige partikel med den indbyggede hukommelse kaldes Majorana-partiklen. Den er teoretisk forudsagt af den italienske videnskabsmand Majorana i 1930’erne. Og i 2012 blev det første gang bevist, at den findes i disse kvantetransistor-kredsløb.

  • Partikel med indbygget hukommelse

  • Majorana-partiklen adskiller sig fra alle andre partikler ved at have den mærkværdige egenskab af en hukommelse.

  • - Så selv om det er en partikel, der ikke har nogen sjæl eller tanker, har den en hukommelse om, hvad der er sket med den, siger Morten Kjærgaard.

  • Forskning har endnu ikke vist, at den kan lave beregninger. Først skal Københavns Universitet påvise den i materialet, dernæst skal man bygge et større kredsløb og vise Majorana-partiklens kvantehukommelse.

  • Kilde: Center for Quantum Devices, KU