NTNU jakter kvantedatamaskinens hellige gral

Kjøleregningen ingen snakker om

Et enkelt kjølesystem for en kvantedatamaskin bruker 25 kilowatt. Det er like mye strøm som ti norske hjem. Mesteparten av energien i dagens kvantemaskiner går ikke til beregninger, men til å holde maskinene kalde nok til å fungere.

Et laboratorium i Trondheim kan ha funnet et materiale som endrer dette regnestykket. Fysikere ved NTNUs Center for Quantum Spintronics (QuSpin) har publisert funn som tyder på at en legering av niob og rhenium oppfører seg som en triplett superleder. Hvis det stemmer, åpner det for kvantedatamaskiner som sender informasjon med null energitap. Artikkelen ble publisert i Physical Review Letters og valgt ut som redaktørens ukentlige anbefaling.

Singlett, triplett og forskjellen som betyr alt

Superledning er ikke nytt. Fenomenet ble oppdaget i 1911: visse materialer kan lede elektrisk strøm uten motstand når de kjøles ned til ekstreme temperaturer. Problemet er at alle kjente superledere i praktisk bruk er av typen «singlett». Partiklene deres transporterer strøm, men mangler en egenskap som heter spinn.

Spinn er kvantefysikkens versjon av rotasjon. Det er informasjonsbæreren i neste generasjons datamaskiner. Tenk på det slik: en singlett superleder er en motorvei der biler kan kjøre friksjonsfritt, men som bare tillater én type kjøretøy. En triplett superleder lar både biler og motorsykler kjøre. Strøm og spinn, begge uten motstand.

«Vi kan nå transportere ikke bare elektriske strømmer, men også spinnstrømmer med absolutt null motstand», forklarer professor Jacob Linder ved NTNUs institutt for fysikk. Han kaller triplett superledere en «hellig gral innen kvanteteknologi».

Materialet som oppfører seg annerledes

Legeringen heter NbRe, niob-rhenium. Den ble testet gjennom et samarbeid mellom Linders teorigruppe ved NTNU og eksperimentelle fysikere i Italia. Resultatene viste noe uventet: materialet oppførte seg fundamentalt annerledes enn en konvensjonell singlett superleder.

NbRe blir superledende ved 7 Kelvin, omtrent minus 266 grader Celsius. Det høres ekstremt ut, men i superledningsverden er det mildt. Andre kandidater til triplett superledning krever temperaturer rundt 1 Kelvin. Forskjellen betyr enklere eksperimenter, billigere utstyr og en mer realistisk vei mot praktisk bruk.

Forskerne brukte det som kalles inverse spinn-ventileffekter for å teste materialets egenskaper. Metoden avslørte at NbRe reagerte på magnetiske påvirkninger på måter som bare gir mening hvis materialet har triplett superledende egenskaper. Artikkelen, «Unveiling Intrinsic Triplet Superconductivity in Noncentrosymmetric NbRe through Inverse Spin-Valve Effects», ble publisert i Physical Review Letters.

Hvorfor kvantedatamaskiner trenger dette

Kvantedatamaskiner har et stabilitetsproblem. Kubitter, de grunnleggende beregningsenhetene, er ekstremt følsomme for forstyrrelser fra omgivelsene. Selv minimal støy kan ødelegge en beregning. Det er derfor dagens maskiner krever så ekstrem kjøling, og det er derfor energiforbruket er et uløst problem.

Triplett superledere tilbyr to potensielle løsninger samtidig. For det første kan de transportere spinn uten energitap, noe som dramatisk reduserer behovet for kjøling. For det andre kan de brukes til å skape såkalte Majorana-partikler, eksotiske kvaspartikler som er sine egne antipartikler. Majorana-partikler er mer motstandsdyktige mot støy enn vanlige kubitter, noe som kan gjøre kvanteberegninger langt mer stabile og nøyaktige.

Kombinasjonen er det som gjør funnet potensielt transformativt: lavere energiforbruk og høyere presisjon i én og samme materialplattform.

Norges kvante-innsats

Oppdagelsen kom ikke fra ingensteds. QuSpin har vært et Senter for fremragende forskning finansiert av Norges forskningsråd siden 2017, med mandat frem til 2027. Senteret har ni professorer, 27 doktorgradsstudenter og syv postdoktorer fra 13 nasjoner, alle fokusert på kvantespinnfenomener.

Parallelt har den norske regjeringen økt kvantesatsingen med 750 millioner kroner. Sammen med løpende forskningsbevilgninger betyr det over 1,1 milliarder kroner til kvanteteknologi de neste fem årene. En nasjonal kvantestrategi skal ferdigstilles i 2026. NTNU, Universitetet i Oslo og SINTEF har lansert en felles kvanteklynge for å koordinere innsatsen.

Statsminister Jonas Gahr Støre har omtalt kvanteteknologi som «kritisk teknologi» for nasjonal suverenitet. Linders funn viser at investeringen allerede produserer resultater på høyeste internasjonale nivå.

Veien videre krever tålmodighet

Linder er tydelig på at arbeidet ikke er ferdig. «Det er for tidlig å konkludere endelig om materialet er en triplett superleder», sa han da resultatene ble publisert. «Funnet må verifiseres av andre eksperimentelle grupper. Det er også nødvendig å gjennomføre flere tester for triplett superledning.»

Vitenskapelig forsiktighet er på sin plass. Historien om superledning er full av lovende funn som ikke holdt det de lovet ved nærmere ettersyn. Men redaktøranbefalingen i Physical Review Letters er et sterkt signal. Og det at NbRe opererer ved 7 Kelvin, ikke 1, gjør det vesentlig enklere for andre laboratorier å gjenta eksperimentene.

Hvis NbRe holder det forskerne håper, har et laboratorium i Trondheim levert det materialet som gjør kvantedatamaskiner praktisk mulige. Ikke dårlig for en legering med to bokstaver.