Norsk oppdagelse kan bli viktig i fremtiden

Hvem skulle tro at en nesten femti år gammel teori til to daværende stipendiater om noen helt spesielle partikler som ingen hadde sett og som ingen trodde eksisterte, kan berede grunnen for fremtidens kvantedatamaskiner?

Det hele startet i 1976 da Jon-Magne Leinaas og Jan Myrheim, som senere ble professorer i fysikk, den ene på UiO og den andre på NTNU, beregnet at det måtte finnes partikler i naturen som ingen hadde tenkt på. De første årene var det stille. Først ti år senere vakte beregningene deres en viss interesse. Siden da har forskningen på de spesielle partiklene ført til tre nobelpriser i fysikk. En nobelprisvinner i et annet fysisk fagfelt, amerikanske Frank Wilzek, døpte de ukjente partiklene for anyoner.

For fem år siden, i 2020, kunne en gruppe forskere omsider komme med den endelige, eksperimentelle bekreftelsen på at anyoner ikke bare fins i teorien, men også i virkeligheten.

Helt spesielle partikler

Før oppdagelsen av anyoner kunne alle partiklene i universet deles inn i fermioner og bosoner. Eksempler på fermioner er byggesteinene i atomer: protoner, nøytroner og elektroner. Felles for fermioner er at de ikke liker å være i nærheten av partikler av samme slag. De holder stor avstand seg imellom. Kall dem gjerne for «usosiale» partikler.

For bosonene er det omvendt. Bosoner er «sosiale partikler». De kan gå i takt og oppføre seg som en enkeltpartikkel. Eksempler på bosoner er fotoner (lyspartikler), fononer (partikler som beskriver vibrasjoner) og gravitoner (hypotetiske partikler som bidrar til gravitasjonskraften).

Anyoner er utrolig nok en mellomting mellom fermioner og bosoner. Anyoner har dessuten en stor og fascinerende begrensning:

– Som om kvantefysikken ikke er sær nok i tre dimensjoner, er den enda særere i to dimensjoner. Anyoner kan bare bevege seg i det todimensjonale plan, poengterer professor Susanne Viefers på Fysisk institutt ved UiO.

– Dette er litt som å være fanget i en etasje i en bygning og ikke kunne gå opp eller ned, forklarer forsker Gunnar Lange på Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved UiO.

Leinaas og Myrheim forstod med andre ord at kvantemekaniske systemer i to dimensjoner oppfører seg veldig annerledes enn i tre dimensjoner.

– Oppdagelsen av anyoner var forut for sin tid. Det skulle ta mange år før noen klarte å fremstille todimensjonale kvantematerialer. Anyoner er i dag selve grunnkonseptet i et stort internasjonalt forskningsfelt som arbeider for å konstruere verdens mest robuste kvantedatamaskin. Men dette er fortsatt langt unna realisering, sier Susanne Viefers.

Hun har i en årrekke forsket på anyoner og var i sin tid stipendiaten til Jon-Magne Leinaas.

– Da vi lanserte ideen vår på syttitallet, hadde vi ikke noen revolusjonære ideer om anyoner i kvantedatamaskiner. Vi så ikke det for oss. Vi tenkte bare at det var verdt å skrive om anyoner, sa Jon-Magne Leinaas da Apollon intervjuet ham for fire år siden.

Vil unngå støyproblemer

Et av de store problemene med kvantedatamaskiner er at all informasjonen i kvantebits er flyktige. Kvantebits kan lett bli ødelagt av ytre støy. Eksempel på støy er elektromagnetisk stråling fra andre deler i kvantedatamaskinen.

– Ettersom vi jobber i bittesmå skalaer og fordi kvantedatamaskinene krever at kvantebitsene skal kunne snakke med hverandre, er det avgjørende å redusere støyen for at kommunikasjonen mellom dem skal fungere skikkelig. I stedet for å jobbe for å motvirke støyen, kan vi lage systemer som er mye mindre ømfintlige for støy, forteller Gunnar Lange.

Denne løsningen kalles for topologiske kvantebits. Kvantetopologi handler om egenskaper til kvantemekaniske partikler som ikke bryr seg om støy.

Her ble det mange nye ord på én gang. Apollon skal snart forklare begrepet topologi, men først noen setninger om topologiske kvantebits.

Topologiske kvantebits bygger på en samling av fysiske kvantebits. I 2023 klarte Google, og kort tid etterpå også selskapet Quantinuum, å vise at det var mulig å lage slike topologiske kvantebits ved å få vanlige kvantebits til å snakke sammen på en riktig måte.

– Topologiske kvantebits er spennende, men det er vanskelig å beskrive denne matematikken med ord. Da blir de fine nyansene borte, beklager Gunnar Lange.

Topologisk snadder

Og nå er det jammen meg på tide å skrive noen setninger om topologi. Topologi er en matematisk verktøykasse som gjør det mulig å trekke ut de robuste delene av signalene mellom kvantebits. Eller for å si det mer generelt: Topologi beskriver hvilke formasjoner noe kan omdannes til. Her gjelder det å holde tungen rett i munnen: En kule er topologisk lik med alle former som ikke har hull i seg. Det betyr at topologien er den samme selv om man deformerer en kule til en pannekake. Innenfor topologien er derfor en kule og en pannekake det samme. Men det finnes ingen muligheter til å endre en kule eller en pannekake kontinuerlig slik at den kan bli til en smultring med ett hull. Disse er topologisk forskjellige. Det samme gjelder for åttetallsformete former. De har to hull. En smultring med ett hull kan altså ikke omdannes til en form med to hull.

– Det er noe tilsvarende med anyoner. Anyoner eksisterer i forskjellige topologiske verdener. De kan ikke gå fra en topologisk tilstand til en annen topologisk tilstand. Anyoner er med andre ord topologisk beskyttet. Med anyoner kan informasjonen i kvantebitsene være topologisk beskyttet mot påvirkninger utenifra, forteller Susanne Viefers.

Gunnar Lange prøver med en annen forklaring:

– For enkelhets skyld kan vi si at den topologiske metoden får kvantebitsene til å snakke sammen uten at de blir forstyrret av støy. Partiklene i to dimensjoner kan faktisk knyttes sammen akkurat som skolissene dine, sier Gunnar Lange.

Forslaget er å lagre all kvanteinformasjonen og alle de logiske operasjonene i disse knutene. Disse knutene har i teorien de ønskete egenskapene for å unngå problemene med støy.

– Det er kult om denne vakre fysikken kunne bli anvendbar, legger Gunnar Lange til.

De anyonene som skal brukes i kvantedatamaskiner, er ikke de samme anyonene som ble oppdaget av de norske fysikerne.

– I kvantedatamaskinene skal det brukes neste generasjons anyoner, men hadde det ikke vært for oppdagelsen til Leinaas og Myrheim, ville ikke denne idéen ha dukket opp. Oppdagelsen av anyoner er utrolig vakker. Jeg venter fortsatt på at de to norske professorene skal få Nobelprisen i fysikk, håper Susanne Viefers.

Matematisk spissfindighet

Nadia Larsen er opptatt av kvantefeilkorrigering ut ifra et matematisk perspektiv. Hun er professor på Matematisk institutt og ser på hvordan topologiske kvanteberegninger kan brukes til å eliminere støy i ulike systemer av kvantebits.

Topologisk kvanteberegning er avansert matematikk som ved hjelp av et felt innenfor matematikken som kalles for operatoralgebra, beskriver topologisk hva som skjer.

– Det finnes retninger innenfor operatoralgebra som er nyttige verktøy for å beskrive matematikken rundt kvantefenomener, forteller Nadia Larsen.

Forskergruppen som hun er en del av, utvikler nye metoder og tilpasser dagens matematiske verktøy for å beskrive kvantefysikkens lover.

– Kvanteteknologien stiller nye spørsmål som vi ikke har tenkt på, sier Nadia Larsen.

Færre kvantebits i praksis

Selv om Google har vist at topologiske kvantebits er mulig, har metoden en svakhet. Det er fortsatt krevende å lage kvantedatamaskiner med mange nok fysiske kvantebits. Og ettersom det er nødvendig med mange fysiske kvantebits for å lage én topologisk kvantebit, blir det foreløpig ikke så mange av dem.

– Du mister kapasiteten, men får kontroll på støyreduksjonen. Det er dessuten ikke sikkert at topologiske kvantebits er den beste måten å løse støyproblemet på, poengterer Gunnar Lange.

Men som Gunnar Lange sier: Det finnes også andre muligheter, slik som å bruke noen av kvantebitsene til å redusere støy. Men det er en annen historie.