Af Palle Vibe, Alt om Data
Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.
Temperaturen er kølet ned til 20 mK – blot 20 milligrader over det absolutte nulpunkt, hvor al molekylebevægelse er standset. De to danske kvantefysikere Thomas Sand Jespersen og Peter Krogstrup fra Center for Quantum Devices under Niels Bohr Institutet i København er ved at teste produktion af nanotråde og nanokomponenter, en proces, der kan få stor betydning for fremtidige supercomputere.
Når man siger transistorer og dioder i nano-størrelse, taler man om målestokke i størrelsesordenen milliardtedele af en meter (eller 0,001 µm). Det er, selv om det lyder utroligt med så små dimensioner, ikke noget nyt. Også her er de elektroniske komponenter baseret på halvledermateriale. Det er, når de skal forbindes, at de danske forskere har åbnet helt nye døre.
Alle komponenter skal være forsynet med metalliske forbindelser til at danne kontakt med bundkortet og lede strøm. Hidtil har man pådampet metalkontakterne, men det er omstændeligt og indebærer stor risiko for funktionsfejl i de komponenter, som har mikroskopisk størrelse. Derfor har det vakt anselig opsigt i forskerkredse, at det nu er lykkedes to danske fysikere at integrere en kerne af halvledermateriale med elektrisk ledende metal på en måde, så atomerne i overgangen mellem halvleder og metal ligger ordnet i en perfekt og stabil krystalgitterstruktur.
Ultimativ sammensmeltning
”Man kan sige, at det er den ultimativt perfekte sammensmeltning af en halvleder og en kontakt af metal i nanotrådstørrelse,” erklærer Thomas Sand Jespersen, der sammen med Peter Krogstrup har stået bag udviklingen af den nye teknologi, og som forsker og underviser i faststoffysik på Center for Quantum Devices. Halvledermaterialet er ikke silicium, som man kunne tro, men derimod en legering af indium og arsenid (InAs) fra grupperne 3 og 5 i det periodiske system, der omfatter mange forskellige halvledermaterialer. Metallet er aluminum, der her er en virkelig god leder af elektrisk strøm.
Fremstillingen foregår i to arbejdsgange. Først dyrker forskerne cirka en milliard, 5-10 mikrometer lange opretstående krystalnanotråde af indiumarsenid på en 5 cm stor krystalskive. Derefter belægges trådene med et tyndt lag af aluminium. Hver tråd får dermed en samlet diameter på 60-100 nm. Doseringen af råmaterialerne samt kontrollen med processen foregår i et rum uden for selve ”vækstkammeret”, hvor der hersker noget nær sterile omgivelser, fordi blot et enkelt støvgran kan ødelægge resultatet. Materialerne skubbes ind i kammeret på en lille slæde i et rør, hvorefter kammeret suges lufttomt, så der optræder næsten totalt vakuum, hvilket skaber de bedste betingelser for at styre forløbet.
”Det helt særlige ved det nye nanomateriale er imidlertid muligheden for at gøre komponenterne superledende. Dette giver store perspektiver,” påpeger Thomas Sand Jespersen, da hensynet til energi og miljø tæller højt i vore dage. En superleder kan bære en strøm helt uden at afgive varme, da strømmen simpelthen ikke møder nogen modstand gennem lederen. Derfor bliver varmeudviklingen minimal, og effektforbruget svinder ind. Det kan være med til at afhjælpe de massive varmeproblemer, som moderne supercomputere trækkes med. Men materialet åbner også for muligheden for at kunne bygge en helt ny type kvantecomputer.
Superledende egenskaber
”Aluminium er ikke superledende ved stuetemperatur,” forklarer forskerkollegaen Peter Krogstrup.
”Det sker først ved nedkøling til nær 1 grad på Kelvin-skalaen, hvor nul grader repræsenterer det absolutte nulpunkt, og vi køler komponenterne helt ned til kun 20 mK, dvs. milligrader over nulpunktet, hvorved modstanden i praksis bliver lig nul.”
Peter Krogstrup erkender dog, at det ikke vil være særlig praktisk at bygge almindelige computere, der skal køles så kraftigt, at de hverken kan ligge i din mappe eller stå i en stue. Men de fleste forskere og store internationale it-foretagender som eksempelvis Microsoft hælder til den opfattelse, at al fremtidig computing vil blive cloud-baseret, og at selve regnekraften vil komme fra gigantiske supercomputere, der vil kunne placeres i et datacenter næsten hvor som helst omgivet af den nødvendige køleteknik.
De to danske grundforskeres ”sandwich-metode” er 100 procent reproducerbar, hvilket er ekstremt vigtigt, for det betyder, at alle kan nå frem til samme resultat ved at følge samme procedure uanset, om der dyrkes én eller milliarder af nanotråde ad gangen. Det er således lykkedes at producere en chip med en milliard fuldt virksomme halvleder-metal nanohybrider.
Første kvantecomputer
Men ud over at give grundlag for bedre og hurtigere fremtidig computerteknik med traditionel opbygning kan den nye danske teknologi måske også rykke verdens første fungerende, såkaldte topologiske kvantecomputer inden for rækkevidde. Og her kommer et samarbejde med Microsoft ind i billedet.
I 2006 oprettede Microsoft nemlig en specialafdeling kaldet Station Q ved University of California, og her er en håndfuld specialistforskere blandt andet beskæftigede med at studere kvantecomputere baseret på såkaldte topologiske partikler. Nu har Station Q fået en aflægger i Danmark kaldet Station Q-Copenhagen (Q står for Quantum), og den er fysisk placeret på Center for Quantum Devices under Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.
Samarbejdet med Microsoft er kommet i stand via professor Charles Marcus, der blev hentet fra Harvard University i USA for at være med til at lede og etablere Center for Quantum Devices, der åbnede i 2012 med støtte fra Dansk Grundforskningsfond. Han betragter det som en dokumentation for forskningens betydning, at Microsoft har valgt at slutte op om de danske bestræbelser.
”Det internationale forskningssamarbejde skal blandt andet styrke muligheden for at konstruere en ny form for fremtidig kvantecomputer,” afslører Thomas Sand Jespersen.
I en kvantecomputer udføres beregningerne ikke som i traditionelle computere med bits, der er elektriske repræsentationer af to tilstande (0 eller 1), men med qubits eller kvantebits (quantum bits), hvor de to tilstande også kan eksistere samtidig som en såkaldt superposition. Men de qubits, som det er lykkedes at realisere indtil videre, har kun eksisteret i få mikrosekunder, hvorefter deres kvantemekaniske egenskaber – deres ”hukommelse” – er gået tabt. Station Q-forskningen fokuserer i stedet for på kvantecomputere, der fungerer ved hjælp af en særlig type kvasipartikler.
”Vi er her ude i den mere langhårede kvantefysik,” indrømmer Thomas Sand Jespersen.
Kvasipartikel gør forskellen
Men navnlig én bestemt slags kvasipartikel har vist sig interessant i kvantecomputer-sammenhæng. Denne partikel har den besynderlige egenskab, at den er sin egen antipartikel og vil kunne huske sin kvanteinformation meget længere. Muligheden for dens eksistens blev fremsat allerede i 1937 af den italienske fysiker Ettore Majorana, der også har lagt navn til partiklen. Det antages, at majorana-partikler kan eksistere i nanotråde af indium-arsenid (InAs), hvis materialet bringes i nær kontakt med en superleder.
Derfor giver den vellykkede nanoforening af halvledere og metal, som Thomas Sand Jespersen og Peter Krogstrup har opnået, måske forskerne grundlag for at skabe et netværk af én-dimensionelle nanotråde, hvor igennem det er muligt for forskerne at dirigere topologiske partikler, der bærer på kvanteinformationer, næsten ligesom rangerfolk rykker jernbanevogne rundt på en rangerbanegård.
Da denne type kvantecomputer formentlig er robust over for påvirkninger, der ellers kan ødelægge kvanteberegningerne, har Microsoft fået interesse for den danske grundforskning og yder også økonomisk støtte. Desuden støttes arbejdet af Carlsbergfonden og Lundbeckfonden, ligesom Center for Quantum Devices modtager løbende støtte fra Danmarks Grundforskningsfond.
Denne fond har blandt andet til formål at fremme og styrke forskning, der er med til at levere morgendagens gennembrud, og de to unge danske fysikeres sensationelle landvindinger, der ikke blot kan føre til langt mere effektiv computerteknologi, men også rykke en effektiv kvantecomputer lidt tættere på, er netop et resultat af denne type grundforskning. Et virkeligt kvantespring af de større er måske på vej her 130 år efter kvantemekanikkens stamfader Niels Bohrs fødsel.
[themepacific_accordion_section title="Fakta"]
”Det kan afhjælpe de massive varmeproblemer, som moderne supercomputere trækkes med.”
[/themepacific_accordion_section][/themepacific_accordion]