Jacob Sherson, "Atomer opfører sig som en skvulpende væske"

Computerindustrien ved ikke, hvordan den skal lave bedre computere til os. Den har nået en grænse for, hvor meget kraft der kan lægges ind i maskinen. En kvantecomputer er en mulig løsning på problemet, og kvantefysiker Jacob Sherson er i gang med at bygge én.

Ingeniører og it-firmaer verden over ved ikke, hvordan de skal forbedre vores computere i fremtiden. ”Det er jo en kæmpe stor trussel mod vores samfund. Eller i hvert fald mod den måde vores samfund har udviklet sig på i de seneste år”, siger kvantefysiker ved Aarhus Universitet, Jacob Sherson. Den accelererende teknologiske vækst med digitalisering og automatisering nærer samfundsudviklingen, og derfor er vi alle afhængige af bedre og bedre computere. Han arbejder på at bygge en kvantecomputer, der har nærmest ubegrænset computerkraft.  
Vi ved ikke nødvendigvis præcis, hvad vi skal bruge fremtidens computere til, forklarer han. ”Men de fleste af os ville kunne mærke kæmpestor forskel, hvis vi tog en 10 år gammel computer og prøvede at bruge den i dag.” Kvantefysikeren pointerer: ”For 40 år siden troede man, at der var et marked for cirka 50 computere på verdensbasis.”  

Ustyrlige elektroner                                                                
Al information på en computer – både almindelige- og kvantecomputere – er repræsenteret ved nuller og ét-taller. Nullerne og ét-tallene er fysisk set bittesmå kontakter (transistorer), der enten er tændt (ét) eller slukket (nul). Jo flere kontakter (og dermed nuller og ettere) der er i en computer, jo hurtigere kan den regne. Computerindustrien har i mange år gjort kontakterne mindre og lagt dem tættere på hinanden. Det har gjort selve computeren mindre og hurtigere. Men nu kan de ikke lægge kontakterne tættere eller gøre dem mindre. For alt i verden består af atomer; også kontakterne inde i vores computere. Hvis de ligger for tæt, vil de elektroner, der bevæger sig inde i atomerne, begynde at hoppe frem og tilbage mellem hinanden, og så går der kludder i systemet. ’Elektronvandringer’ er den almindelige computeringeniørs problem; og det er kvantefysikerens fordel.

Ekstremt småt og virkelig mystisk
Atomer er verdens byggesten. Et enkelt sandkorn består af flere atomer, end der er sandkorn i hele verden. Meget, meget små ting følger ikke klassiske fysiske love. Forestil dig en fortravlet ven udbryde: ”Jeg kan jo kun være et sted ad gangen!” Et udsagn, det næppe giver mening at modsige. Med mindre, man da er en elektron inde i et atom. Elektroner kan være flere steder på én gang. De kan nemlig både være partikler – her skal du forestille dig en lille rund bold – og en bølge. Og præcis hvor er en bølge? Aldrig bare på ét punkt, men altid flere steder på én gang.
”Den elektron, der før irriterede ingeniørerne, er nu super spændende for os kvantefysikere,” siger Jacob Sherson. Fordi elektroner kan opføre sig som bølger og være to steder på én gang, kan de både tænde og slukke kontakterne i computeren på samme tid. Forskeren uddyber: ”Det gør, at de kan være både nul og ét på samme tid.”
I en kvantecomputer udnyttes og styres elektronernes vandring. Når kontakterne i computeren kan være både tændt og slukkede på én gang, stiger regnekraften eksponentielt: Hver gang du tilføjer én ny kontakt, bliver computeren dobbelt så stærk.

Verdens mindste pincet
Når man skal bygge et hus tager håndværkerne mursten i hænderne og stabler dem. Atomerne i en kvantecomputer skal også stables. Men man kan ikke tage fat om et atom mellem pege og tommel. Når verdens mindste byggeklodser flyttes, skal der bruges en lille pincet. Heldigvis har Jacob Sherson opfundet verdens mindste atompincet, så han har teknologien til at rokere atomerne rundt. 
Men hvor et hus bliver bygget af solide sten, bygges en kvantecomputer af atomer. Og her har forskeren et problem: ”Atomerne opfører sig som en skvulpende væske. Når jeg begynder at samle dem op med min pincet, så begynder de at skvulpe.”

Skvulpende atomer
Forestil dig, at du skal bære en overfyldt kop hed kaffe hen til dit skrivebord. Du ønsker ikke, at den skvulper over. Vi kan som regel godt finde ud af at bære koppen hen til bordet uden at spilde. Kvantefysikerens udfordring er at sætte sine atomer på plads med samme snilde. Det kræver den rette bevægelse med atompincetten, men bevægelsesmulighederne er tæt på uendelige. ”Så hvordan ved man, hvad man skal prøve først? Det er ligesom at søge efter en nål i en høstak.” Selv den dyreste computer på markedet vil bruge flere år på at regne ud, hvordan det er smartest at flytte atomerne. Heldigvis er vi mennesker gode til at balancere med kaffekopper: Vi ved intuitivt, hvilke bevægelser vi skal undgå, for ikke at spilde kaffen.

Highscore i kvantefysik
Jacob Sherson og hans kollegaer har derfor udviklet spillet ’Quantum Moves’. Det kan downloades og spilles af alle med en mobiltelefon, tablet eller computer, og har passeret 200.000 spillere. Det går i al sin enkelhed ud på at indsamle point ved flytte en skvulpende væske (atomet) i mål: ”Vi gav folk mulighed for ikke at reflektere eller analysere sig frem til en løsning, men derimod at ’føle’ sig frem til den rigtige løsning,” forklarer han og fortsætter: ”Du tænker bare på at få en høj score og få den der skide væske til ikke at skvulpe.”
”Det viste sig, at mere end halvdelen af spillerne angreb problemet på en måde, der var bedre end vores computeralgoritmer.” Jacob Shersons forskningsteam ser mønstre i, hvordan spillerne griber udfordringen an, og bruger spillernes løsning til at flytte rigtige atomer uden skvulp. Det er et stort skridt i retningen mod at bygge en kvantecomputer.

Den demokratiske udfordring
Teknologiske nyskabelser kan have utilsigtede konsekvenser. En kvantecomputer vil, når den er fuldt udviklet, blandt andet kunne bryde krypteringen, der beskytter vores oplysninger på internettet.
”Men selvom vi arbejder hårdt for at udvikle en kvantecomputer, så er vi ca. 10 år bagud i forhold til udviklingen af databeskyttelse,” siger kvantefysikeren. ”Jeg er derfor ikke så bekymret for, at din Netbank bliver usikker.” Han argumenterer: ”Hvis man overlader det til Google eller Microsoft at udvikle kunstig intelligens eller kvantecomputere, så bliver fremtiden domineret af teknologier, der er udviklet ene og alene med kommercielt sigte.” Derfor mener han, at uafhængige forskningsinstitutioner er nødt til at følge med udviklingen og dele informationer om nye opdagelser med resten af verden:
”Det [udviklingen af kvantecomputere, red.] sker uanset hvad. Og jo mere vi alle sammen ved om det, jo bedre bliver vi til at håndtere denne udfordring”.

Jacob Sherson:
Lektor i fysik og astronomi ved Aarhus Universitet.

Juni 2018