Hvem skulle tro at en nesten femti ?r gammel teori til to dav?rende 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 p? UiO og den andre p? NTNU, beregnet at det m?tte finnes partikler i naturen som ingen hadde tenkt p?. De f?rste ?rene var det stille. F?rst ti ?r senere vakte beregningene deres en viss interesse. Siden da har forskningen p? de spesielle partiklene f?rt til tre nobelpriser i fysikk. En nobelprisvinner i et annet fysisk fagfelt, amerikanske Frank Wilzek, d?pte de ukjente partiklene for anyoner.
Oppdagelsen av anyoner er utrolig vakker. Jeg venter fortsatt p? at de to norske professorene skal f? Nobelprisen i fysikk.
For fem ?r siden, i 2020, kunne en gruppe forskere omsider komme med den endelige, eksperimentelle bekreftelsen p? at anyoner ikke bare fins i teorien, men ogs? i virkeligheten.
Helt spesielle partikler
F?r oppdagelsen av anyoner kunne alle partiklene i universet deles inn i fermioner og bosoner. Eksempler p? fermioner er byggesteinene i atomer: protoner, n?ytroner og elektroner. Felles for fermioner er at de ikke liker ? v?re i n?rheten 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 g? i takt og oppf?re seg som en enkeltpartikkel. Eksempler p? 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 s?r nok i tre dimensjoner, er den enda s?rere i to dimensjoner. Anyoner kan bare bevege seg i det todimensjonale plan, poengterer professor Susanne Viefers p? Fysisk institutt ved UiO.
– Dette er litt som ? v?re fanget i en etasje i en bygning og ikke kunne g? opp eller ned, forklarer forsker Gunnar Lange p? Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved UiO.
Leinaas og Myrheim forstod med andre ord at kvantemekaniske systemer i to dimensjoner oppf?rer seg veldig annerledes enn i tre dimensjoner.
– Oppdagelsen av anyoner var forut for sin tid. Det skulle ta mange ?r f?r noen klarte ? fremstille todimensjonale kvantematerialer. Anyoner er i dag selve grunnkonseptet i et stort internasjonalt forskningsfelt som arbeider for ? konstruere verdens mest robuste kvantedatamaskin. Men dette er fortsatt langt unna realisering, sier Susanne Viefers.
Hun har i en ?rrekke forsket p? anyoner og var i sin tid stipendiaten til Jon-Magne Leinaas.
– Da vi lanserte ideen v?r p? syttitallet, hadde vi ikke noen revolusjon?re ideer om anyoner i kvantedatamaskiner. Vi s? ikke det for oss. Vi tenkte bare at det var verdt ? skrive om anyoner, sa Jon-Magne Leinaas da Apollon intervjuet ham for fire ?r siden.
Vil unng? st?yproblemer
Et av de store problemene med kvantedatamaskiner er at all informasjonen i kvantebits er flyktige. Kvantebits kan lett bli ?delagt av ytre st?y. Eksempel p? st?y er elektromagnetisk str?ling fra andre deler i kvantedatamaskinen.
– Ettersom vi jobber i bittesm? skalaer og fordi kvantedatamaskinene krever at kvantebitsene skal kunne snakke med hverandre, er det avgj?rende ? redusere st?yen for at kommunikasjonen mellom dem skal fungere skikkelig. I stedet for ? jobbe for ? motvirke st?yen, kan vi lage systemer som er mye mindre ?mfintlige for st?y, forteller Gunnar Lange.
Denne l?sningen kalles for topologiske kvantebits. Kvantetopologi handler om egenskaper til kvantemekaniske partikler som ikke bryr seg om st?y.
Her ble det mange nye ord p? én gang. Apollon skal snart forklare begrepet topologi, men f?rst noen setninger om topologiske kvantebits.
Topologiske kvantebits bygger p? en samling av fysiske kvantebits. I 2023 klarte Google, og kort tid etterp? ogs? selskapet Quantinuum, ? vise at det var mulig ? lage slike topologiske kvantebits ved ? f? vanlige kvantebits til ? snakke sammen p? en riktig m?te.
– Topologiske kvantebits er spennende, men det er vanskelig ? beskrive denne matematikken med ord. Da blir de fine nyansene borte, beklager Gunnar Lange.
Topologisk snadder
Og n? er det jammen meg p? tide ? skrive noen setninger om topologi. Topologi er en matematisk verkt?ykasse som gj?r det mulig ? trekke ut de robuste delene av signalene mellom kvantebits. Eller for ? si det mer generelt: Topologi beskriver hvilke formasjoner noe kan omdannes til. Her gjelder det ? 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 ? 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 ?ttetallsformete former. De har to hull. En smultring med ett hull kan alts? ikke omdannes til en form med to hull.
– Det er noe tilsvarende med anyoner. Anyoner eksisterer i forskjellige topologiske verdener. De kan ikke g? fra en topologisk tilstand til en annen topologisk tilstand. Anyoner er med andre ord topologisk beskyttet. Med anyoner kan informasjonen i kvantebitsene v?re topologisk beskyttet mot p?virkninger utenifra, forteller Susanne Viefers.
Gunnar Lange pr?ver med en annen forklaring:
– For enkelhets skyld kan vi si at den topologiske metoden f?r kvantebitsene til ? snakke sammen uten at de blir forstyrret av st?y. Partiklene i to dimensjoner kan faktisk knyttes sammen akkurat som skolissene dine, sier Gunnar Lange.
Forslaget er ? lagre all kvanteinformasjonen og alle de logiske operasjonene i disse knutene. Disse knutene har i teorien de ?nskete egenskapene for ? unng? problemene med st?y.
Det er kult om denne vakre fysikken kunne bli anvendbar.
– 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 v?rt for oppdagelsen til Leinaas og Myrheim, ville ikke denne idéen ha dukket opp. Oppdagelsen av anyoner er utrolig vakker. Jeg venter fortsatt p? at de to norske professorene skal f? Nobelprisen i fysikk, h?per Susanne Viefers.
Matematisk spissfindighet
Nadia Larsen er opptatt av kvantefeilkorrigering ut ifra et matematisk perspektiv. Hun er professor p? Matematisk institutt og ser p? hvordan topologiske kvanteberegninger kan brukes til ? eliminere st?y 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 verkt?y for ? beskrive matematikken rundt kvantefenomener, forteller Nadia Larsen.
Forskergruppen som hun er en del av, utvikler nye metoder og tilpasser dagens matematiske verkt?y for ? beskrive kvantefysikkens lover.
– Kvanteteknologien stiller nye sp?rsm?l som vi ikke har tenkt p?, sier Nadia Larsen.
F?rre kvantebits i praksis
Selv om Google har vist at topologiske kvantebits er mulig, har metoden en svakhet. Det er fortsatt krevende ? lage kvantedatamaskiner med mange nok fysiske kvantebits. Og ettersom det er n?dvendig med mange fysiske kvantebits for ? lage én topologisk kvantebit, blir det forel?pig ikke s? mange av dem.
– Du mister kapasiteten, men f?r kontroll p? st?yreduksjonen. Det er dessuten ikke sikkert at topologiske kvantebits er den beste m?ten ? l?se st?yproblemet p?, poengterer Gunnar Lange.
Men som Gunnar Lange sier: Det finnes ogs? andre muligheter, slik som ? bruke noen av kvantebitsene til ? redusere st?y. Men det er en annen historie.