Megabevilling til kvantesimulatorer viser, at grundforskning lønner sig

Forskere ved Københavns Universitet har fået to bevillinger fra Novo Nordisk Fonden, et svimlede samlet beløb på 108,6 millioner kroner, der skal gå til udvikling af kvantesimulatorer. Det er meningen, at kvantesimulatorer på længere sigt skal kunne hjælpe medicinalindustrien med at udvikle ny medicin, en proces, der på nuværende tidspunkt er dyr, kompleks og langsigtet.

»I dag prøver man sig i høj grad frem, når der skal udvikles ny medicin, fordi man med normale metoder ikke kan regne ud, hvordan proteiner og andre komplekse systemer reagerer på nye medicinske produkter,« siger professor ved Niels Bohr Institutet Peter Lodahl, som skal lede det ene af de to centre, bevillingen er møntet på.

»Her giver kvanteteknologierne os nye muligheder, da vi vil kunne udvikle specialiserede kvantesimulatorer, som er skræddersyede til at tackle disse processer.«

Det center, som Peter Lodahl skal stå i spidsen for, hedder Solid-state quantum simulators for biochemistry, og her er det meningen, at hardwaren til kvantesimulatorerne skal udvikles. Centeret udvikler to forskellige typer kvantehardware baseret på fotoner og elektroner, henholdsvis, og samler ekspertise i kemi, faststoffysik og fotonik, både eksperimentelt og teoretisk.

SKRIV DIG OP TIL UNIAVISENS NYHEDSBREV HER

Sideløbende skal Quantum for life-centeret, under ledelse af professor Matthias Christandl fra Institut for Matematiske Fag, udvikle det matematiske sprog, der skal bruges i kvantesimuleringen af komplekse biokemiske processer. Christandls center får 48,6 millioner kroner ud af den samlede bevilling på 108,6 millioner.

Normal supercomputer skulle bruge 10.000 år

Men hvad er en kvantesimulator i det hele taget, og hvorfor er der god grund til at investere i den? Det spurgte vi Peter Lodahl om, som indvilgede i at give os et crash course i kvantemekanikkens komplicerede univers.

»En kvantesimulator er en kvantecomputer, som er specialiseret til at løse ét problem,« siger Peter Lodahl. Praktisk set adskiller kvantecomputeren sig fra normale computere i kraft af sin enorme regnekapacitet. Sidste år annoncerede techgiganten Google, at de havde fremstillet en kvantesimulator, der kunne løse ét komplekst regnestykke på 200 sekunder. Det lyder ikke imponerende, før man sammenligner det med, hvor lang tid en ‘gammeldags’ supercomputer ville skulle tygge på samme udregning. Der er svaret 10.000 år.

Ifølge Peter Lodahl har videnskaben stadig et stykke vej, før man kan bygge en decideret kvantecomputer, der kan løse forskelligartede problemer. Det er dog allerede muligt at lave maskiner, som fokuserer på at løse et konkret problem. Peter Lodahls egen ekspertise er fotonik, og hans gruppe på Blegdamsvej arbejder med at konstruere en fotonisk kvantesimulator.

»Vi har udviklet en én-foton-lyskilde,« siger Peter Lodahl. »Den udsender én foton, som er den fundamentale bestanddel af lys. Vi kan kode information i fotonen. Det er kernen i kvanteteknologi. Man koder information i en kvantemekanisk partikel.«

Kvantemekaniske partikler opfører sig anderledes, end vi er vant til, fordi objekterne kan være to forskellige steder på samme tid. Det er det, man kalder kvantesuperposition, siger Peter Lodahl. Når fotonen proceseres opnår den kvantesuperpositionstilstand – den er så at sige to ting på samme tid – og bliver til det, man kalder en kvantebit.

»Almindelige computere er bygget op af klassiske bits, som regner på nul eller ét. Der er kun de to muligheder. Kvantelogikken er bygget op på kvantesuperposition, hvor du har nul og ét på samme tid. Det er sådan set der, magien ligger,« siger Peter Lodahl.

Kvantelogikken er bygget op på kvantesuperposition, hvor du har nul og ét på samme tid. Det er sådan set der, magien ligger

Peter Lodahl, professor

Det betyder, at informationen, som er lagret i kvantebits vokser eksponentielt, fordi man hele tiden skal regne med to muligheder, og ifølge professoren er det der, teknologiens revolutionerende potentiale ligger. Og kvantemekanikken er ikke kun teoretisk landvinding, hvad bevillingerne fra Novo Nordisk Fonden også signalerer:

»Det er en voldsomt dyr, langsigtet og enormt kompleks proces at udvikle nye medikamenter. Der kan kvanteteknologien potentielt være med til at optimere dele af processen. Hvis man kan få en fordel bare i dele af processen, har det et enormt potentiale. Det er derfor, mange af de store medicinalvirksomheder begynder at satse på kvanteteknologi.«

Selve kvantehardwaren, som Peter Lodahls gruppe og centeret skal konstruere, består af små fotoniske og elektroniske chips, der er mindre end diameteren på et hår. De ligner til forveksling almindelige computerchips, men er specialfremstillede til at producere og kontrollere foton- og elektronkvantebits. Det hele styres i et laboratorium med elektronik og lasere, der kontrollerer chipsene.

»Man tænker altid, at fremtiden bliver helt vild«

Det er ikke en billig affære, men i takt med det øgede kommercielle fokus på kvanteteknologiens potentiale, er der kommet flere penge i feltet.

»At det kunne have kommerciel interesse var ikke noget, jeg skænkede en tanke for ti år siden, da vi sad og nørdede med det,« siger Peter Lodahl. »Vores felt bliver pludselig større. Der begynder at komme store investeringer på området over hele verden. Selv om det stadig er langsigtet teknologi. Det er fantastisk spændende at være med til.«

LÆS OGSÅ: Han leder en global indsats mod corona, men svarer stadig på mails fra tilfældige mennesker

Det praktiske potentiale i pionerarbejdet med kvanteteknologien motiverer også Lodahl:

»En ting er at opdage noget og skrive en artikel om det, og så synes ens fagfællenørder, at det er helt vildt fedt. Men det er noget andet at være med til at drive noget, som også har en potentiel relevans ud over feltet.«

Vil kvanteteknologi på længere sigt ændre verden?

»Jeg er tilbøjelig til at sige ja, men måske ikke på en måde, vi er bevidste om. Man tænker altid, at fremtiden bliver helt vild. Jeg tror mere på, at kvanteteknologien vil give os en større regnekraft. De muligheder, vi kan se nu, ligger i at løse komplekse kvantemekaniske problemer, som for eksempel er relevante for udviklingen af ny medicin.«

Hvad så med en kvante-smartphone?

»Jeg tror ikke, det bliver en ny gadget, som vi kommer til at sidde og lege med derhjemme, men hvem ved? Læser man om, hvad folk i 1940’erne sagde om computeren dengang, så var ikke alle synderligt overbeviste om dens potentiale. Enkelte var modige nok til at gætte på, at der måske ville være et marked for fem computere worldwide.«

»Man skal også være påpasselig med at konkludere, hvad kvanteteknologi fører til. Det er svært at sige. Forhåbentlig overstiger det vores forventninger.«