Spinntronikkens Reodor Felgen

Om man skal utvikle framtidas datamaskiner må man tenke nytt. Det gjør førsteamanuensis Justin Wells ved Institutt for fysikk ved NTNU.

Publisert Sist oppdatert

Man kan si at dagens datamaskiner er ganske kraftige, og de er i stand til å utføre nesten alle slags oppgaver med dem. Førsteamanuensis Justin Wells ved Institutt for fysikk ved NTNU, forteller at de jobber mot noe bedre, en såkalt kvantedatamaskin.

– For bestemte optimeringsproblemer, en kvantedatamaskin kan være alt fra dobbelt så kraftig, til tusen ganger så kraftig som en vanlig datamaskin, forteller han.

Mye kraftigere

I en vanlig datamaskin, som inneholder biter som bare har to moduser, enten av eller på, finnes det omtrent en milliard biter. En kvantedatamaskin kan bestå av mange færre biter, kanskje så få som hundrevis. Til gjengjeld har den biten ikke bare to moduser, men nesten en uendelig rekke moduser.

– Se for deg en pil som enten kan peke opp eller ned. Dette er en vanlig datamaskin. Så kan du se for deg en pil som kan peke i hvilken som helst retning. Der har du en kvantedatamaskin.

Han forteller også at kvantedatamaskiner blir kraftige på en helt annen måte enn vanlige datamaskiner.

– Vanlige datamaskiner måtte hatt dobbelt så mange biter for å bli dobbelt så kraftig. Dersom man har tusen biter, må man ha to tusen biter for å fordoble kraften. En kvantedatamaskin blir dobbelt så kraftig for hver bit man legger til. Dersom man har tusen biter og legger til en, blir altså kraften fordoblet, forklarer han.

Revolusjonerende

Et annet interessant aspekt ved en eventuell kvantedatamaskin vil være at den hadde revolusjonert måter å få tak i informasjon på, fordi den har den unike muligheten til å løse kompliserte, multivariable spørsmål. Wells forklarer dette ved å bruke værmelding som eksempel:

– Se for deg at det finnes over femti faktorer som spiller inn, for eksempel en rekke temperaturer og trykker. Antallet mulige løsninger som må beregnes skalaer som multiplum av alle faktorene.Dette regnestykket blir så komplisert at det blir vanskelig for vanlige datamaskiner å kunne se så langt fram i tid. For en kvantedatamaskin derimot, vil løsningen være nærmest latterlig enkel. Man vil da kanskje kunne forutse været med en god nøyaktighet lengre framover, forteller han.

Han forteller likevel at de fremdeles er et stykke unna kvantedatamaskiner, og at det er veldig mange steg på veien. Man må for det første klare å lage en bit, så må man lage flere, kanskje så mange som hundrevis. Deretter må man få bitene til å kommunisere, og gjøre dem stabile. Senere må man gjøre kvantedatamaskinen brukervennlig, og ikke minst finne en måte å fylle inn og hente ut informasjon på.

Wells understreker også at en slik kvantedatamaskin har et veldig begrenset marked. Man kan kanskje selge hundrevis av dem, muligens tusenvis, men aldri i en like stor målestokk som vanlige datamaskiner, fordi de blir så store og dyre, men også fordi mange hverdagslige problemer er mye bedre løst ved en tradisjonell datamaskin.

Spinntronikk

Wells forsker sammen med studenten sin Federico Mazzola på noe som kalles for spinntronikk. For å gjøre kvantedatamaskiner til en realitet, er man avhengig av store fremskritt innen spinntronikk. Kort forklart er spinntronikk alle elektroniske enheter som utnytter elektronenes spinn i stedet for ladning. Elektronspinn er egentlig en kvantefysisk egenskap som kan illustreres ved at elektronet roterer og dermed skaper et magnetisk felt.

– Ved å utnytte elektronenes spinn, kan vi få dem til å spinne i samme retning. Dette vil føre til at elektroner med samme spinn vil gå samme vei, og derfor sparer vi masse energi. Denne teknikken er også mer effektiv: den er tusen ganger mer effektiv enn vanlig elektronikk, forklarer han.

Dersom man benytter seg av elektronenes spinn, vil man også bidra til å skape bedre og raskere maskiner, slik som transistorer.

Dopet silisium

Wells forteller også at han synes det er morsomt å forske, men at han ikke har helt frie tøyler.

– Vi jobber sammen med den australske “Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T)”. De vet hva de ønsker å gjøre, og vi måler kvante-elektroniske egenskaper for deres prototypesystemer. Det er bare jeg og studenten min her på NTNU som forsker på akkurat dette, men over hele verden er vi 7-8 personer, som møtes circa en gang i året. Jeg drar også en del til Sverige, for å bruke store instrumenter som ikke er tilgjengelig i Norge, forteller han.

Konkret sett jobber Wells med rent silisium, som inneholder noen veldig nøye plasserte urenheter (dopants) som donerer elektroner til ren silisium. De donerte elektronene er ikke helt fri til å bevege seg i silisiumet, og derfor kan deres posisjon bli kontrollert ved å kontrollere posisjonen til dopant-atomene.

– Du kan se på det omliggende rene silisiumet som en boks hvor elektroner er fanget. Dette er basicen bak kvantedatamaskin-prototypen, forteller Wells.

Energinivået i silisiumet blir da avhengig av hvor mye det er dopet, og hvor dopanter er plassert.

Ved å jobbe med dette håper han å kunne bidra til den fundamentale forståelsen av fysikk. På spørsmål om hva annet forskningen hans kan bli brukt til, forteller han at ofte blir den langsiktige virkningen av fundamental forskning ikke kjent før mye senere.

– For eksempel var det mange tiår etter kvantemekanikken ble først undersøkt at vi fikk de første enheter (datamaskiner, lasere, solceller, etc). Samfunnet glemmer lett dette og krever at forskningpenger bare blir brukt for å bringe kortsiktige gevinster.

Laboratorium i kjelleren

I kjelleren på Gløshaugen har Wells sitt eget lille laboratorium, der han tilbringer mye av tiden sin. Der har han stående et fotoelektron-spektroskop, som han snart skal oppgradere med et nytt vekstkammer, som kommer til å koste rundt 40 000 kroner. For å sette det i perspektiv kan slike laboratorier fort koste mellom 10 og 15 millioner kroner. Dersom noe går i stykker, reparerer han det heller enn å kjøpe nytt:

– I sommer gikk røntgenkilden vår i stykker, og da måtte vi bare ta den ifra hverandre, finne ut hva som var galt, og fikse det igjen. Et annet eksempel kan være da laboratoriet i Sverige skulle bytte ut noen deler. Da dro jeg dit selv og hentet de delene de skulle kaste, og brukte dem i min egen maskin. Det er viktig å bruke det man har, forklarer han.

Vanskelig å få støtte

Laboratoriet i Sverige bruker også 250 000 kroner i uken på drift, delvis på grunn av den høye energibruken, men også på grunn av de ansatte. Wells mener det burde vært enklere å skaffe penger til slike prosjekter i Norge.

– Så langt har vi fått 40 000, men vi konkurrerer med grupper som mottar mange millioner. Men det er viktig å gjøre det beste ut av det man har, forklarer Wells.

– Så langt har vi bevist at vi kan gjøre en stor innvirkning med svært beskjedne midler. Men vi kan ikke gjøre det for ingenting - så vi vil fortsette å søke om støtte til vår lab og vår forskning.

Powered by Labrador CMS