Forskere får 75 millioner af EU til én gådefuld partikel

Majorana-partiklen er en gåde.

Med en journalistisk stramning kan den beskrives som en spøgelsespartikel, der kun eksisterer under helt bestemte betingelser – i enderne på en superleder.

Kvantefysikken forudsiger om Majorana-partiklen, at den kan påvirke sine omgivelser flere steder på samme tid, og den egenskab har ingen andre partikler, som fysikerne kender til i dag, og det gør den specielt attraktiv.

Måske kan den give verden en kvantecomputer, der arbejder bedre og mere driftssikkert end dem, forskerne forsøger at udvikle i dag. Allerede inden videnskaben er lykkedes med at give os kvantecomputeren i version I, mener nogen, at Majorana-partiklen måske vil vise sig at kunne føre os imod den forbedrede kvantecomputer version II.

Opstår kun i et hav af superledende elektroner

Fra Københavns Universitet har tre forskere fra Niels Bohr Institutet (NBI), modtaget svimlende 75 millioner fra EU-forskningsfonden European Research Council (ERC). De samarbejder med en fjerde forsker, der er ansat ved Lunds Universitet.

Professor Karsten Flensberg er en af forskerne fra NBI, og om Majorana-partiklerne siger han, at de kan bruges til at simulere systemer med.

Majorana-partiklerne udgør et helt nyt legeland for kvantefysikere, når det gælder om at studere kollektive fænomener af partikler på en måde, som det aldrig har været muligt at studere dem før, siger han.

Han beskriver partiklerne med en metafor:

»Man kan danne sig et billede af Majorana-partiklerne ved at sammenligne dem med bølgerne på et hav. Majorana-partiklerne er selve bølgerne, men de skal jo udbrede sig i en væske. For Majorana-partiklerne består ’væsken’ af elektronerne i en såkaldt topologisk superleder. Hvis man har en sådan særlig superleder, så er tilstanden i elektronerne så usædvanlig, at Majorana-partiklerne opstår,« siger Karsten Flensberg.

Alle pengene går til at hyre unge talenter

Forskerne har allerede udviklet den specialiserede type af superleder, som de skal bruge til at studere Majorana-partiklen med, og i løbet af de næste skal år skal de udvikle de fysikforsøg, der kan vise, om partiklen har de egenskaber, som kvantefysikken forudsiger.

En anden af de fire forskere, professor Charles Marcus, siger, at det slet ikke er forskerne selv, der kommer til at bruge pengene:

»Alle millionerne kommer til at gå til at ansætte idérige, unge mennesker som studerende, postdoc’er og andre, der skal arbejde med at udvikle fysikforsøgene. De bliver projektets drivende motor, og det er også betingelsen for bevillingen. Det er vigtigt for mig at sige, at pengene gør det muligt for os at træne unge mennesker til at lære at forske, for professorer har så travlt med andre ting, som de skal lave, at vi  ikke har tid til at lave forsøgene selv,« siger Charles Marcus.

Kan beskytte kvanteinformation bedre i fremtiden

Hvis projekt Majoranapartikel lykkes for forskerne og deres unge stab, vil det gøre det muligt for dem at finde ud af, om teori og praksis følges ad.

»Den har som partikel en meget særlig evne, som kaldes en ikke-lokal egenskab. Det kan potentielt bruges til at behandle og beskytte kvanteinformation i fremtidens kvantecomputere,« siger Karsten Flensberg.

For at forstå, hvad der i denne sammenhæng menes med begrebet ’system’, skal man vide, at Majorana-partikler, når de opstår i en superleder, automatisk glider ud mod enderne, så enderne er altså selve det omtalte system af Majorana-partikler beskrevet ovenfor.

Man kan måske forestille sig en superleder, der – som et almindeligt elkabel hjemme i stuen – består af to ledninger, der har tykkelse som et menneskehår. Hver har de to ledningsender, og hele systemet har fire ender tilsammen.

Det er altså et kollektivt system, der består af fire ender, og i det system, kan der opstå specielle Majorana-fænomener, som fysikerne kan studere.

Måske kan Majorana-partikler fungere som qubits

De ikke-lokale egenskaber hos Majorana-partiklen kan have den fordel i en kvantecomputer, at de kan holde på kvanteinformation på en langt mere stabil måde end i de systemer, man hidtil har forsøgt at udvikle en kvantecomputer med.

Det er ikke bevist endnu, men der er nok to veje til at bygge en kvantecomputer, siger Karsten Flensberg.

I virkeligheden er Niels Bohr Institutet den store vinder, for det store beløb gør det muligt for instituttet at vokse og blive stærkere.

Charles Marcus

»Den ene vej går på, at de qubits, som en kvantecomputer skal arbejde med, og som er den traditionelle metode, består af nogle elektronspin eller nogle atomer, man manipulerer med. Desværre er de informationer, de indeholder, meget følsommer over for omgivelsernes effekt (påvirkning eller forstyrrelse, red.), og det er deres store problem – deres akilleshæl,« siger Karsten Flensberg.

Det er derfor, det går så langsomt med at udvikle fremtidens forjættende computer. Den er utrolig svært at bygge med de traditionelle byggesten, for der skal så lidt forstyrrelse til udefra, før informationerne bliver ubrugelige og forringer kvantecomputerens regnekraft så meget, at den ender med ikke at kunne regne bedre end en traditionel computer.

»Den anden vej går på, at Majorana-partikler også kan fungere som qubits, og med dem vil informationen være gemt ikke-lokalt, og derfor vil de være beskyttet imod forstyrrelser fra omgivelserne,« siger Karsten Flensberg.

Grundlæggende forskning skal først på plads

Ifølge Karsten Flensberg er intet endnu bevist, men håbet er, at hvis noget forstyrrer i den ene ende af fysikernes system med Majorana-partikler, så kan det ikke forstyrre noget i den anden ende, for den information, Majorana-partiklerne indeholder findes på et globalt plan i systemet, og derfor er informationen beskyttet imod lokale forstyrrelser.

Men først skal den helt elementære grundforskning på plads, og det er den slet ikke i dag, så ingen kan begynde at bygge en ’kvantecomputer version II’ ved at anvende Majorana-partiklernes egenskaber endnu.

Ifølge Karsten Flensberg er deres arbejde ikke tænkt som et kvantecomputerforslag, selv om der allerede er mange tanker i forskerkredse om at bruge det til en kvantecomputer, og nyere projekter med kvantecomputere allerede tyder på, at det vil virke.

»Det er en fantastisk mulighed, vi har fået med bevillingen,« siger Karsten Flensberg.

Talentfulde unge mennesker vil søge til NBI

Professor Charles Marcus siger, at det grundlæggende er umuligt at skille forskning og uddannelse ad i projektet med Majorana-partiklen, så når han bliver spurgt, hvordan det er, at modtage den store sum, er det ikke muligt for ham at svare direkte på det:

»Er vi begejstrede og spændte? Jeg ved det ikke, for det er ikke en personlig begejstring, men vi er begejstrede for at kunne udføre vores arbejde. Vi bruger al vores tid på at undervise i auditorier og laboratorier, og selv når vi taler med journalister, underviser vi,« siger Charles Marcus og fortsætter:

»De mange penge gør det muligt for os at gøre det, vi skal som professorer. I virkeligheden er Niels Bohr Institutet den store vinder, for det store beløb gør det muligt for instituttet at vokse og blive stærkere, og de talentfulde unge mennesker, der ønsker at bidrage til forskning i kvantefysik, får forhåbentlig lyst til at arbejde hos os i stedet for at søge andre steder hen.«