10. november 2020

Fysikere og kemikere udvikler i fælleskab fremtidens kvantesimulatorer

Grundforskning:

Kan kemikere og fysikere sammen skabe dele til en kvantecomputer, der kan simulere hvordan universets mindste byggesten fungerer? Og kan denne kvantecomputer speede forståelsen af biokemiske processer op, og i sidste ende bidrage til udviklingen af ny medicin? Svaret er et nyt ambitiøst samarbejde på Københavns Universitet, der kan føre til nye videnskabelige gennembrud.

Det nye forskningsprogram Solid-state quantum simulators for biochemistry (SolidQ) samler forskere fra både Center for Hybrid Quantum Networks, Center for Quantum Devices og Kemisk Institut, og fokuserer på udviklingen af kvantesimulatorer.
Det nye forskningsprogram Solid-state quantum simulators for biochemistry (SolidQ) samler forskere fra både Center for Hybrid Quantum Networks, Center for Quantum Devices og Kemisk Institut, og fokuserer på udviklingen af kvantesimulatorer.

De to grundforskningscentre på Niels Bohr Institutet, Center for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q) og Center for Quantum Devices (QDEV), har netop modtaget en stor bevilling fra Novo Nordisk Fondens Challenge program til at samarbejde om at udvikle hardware til specialiserede kvantecomputere.

Det nye forskningsprogram Solid-state quantum simulators for biochemistry (SolidQ) samler forskere fra både Center for Hybrid Quantum Networks, Center for Quantum Devices og Kemisk Institut, og fokuserer på udviklingen af kvantesimulatorer. Forskerne hos Hy-Q og QDev vil undersøge to forskellige typer af kvantesimulerings-hardware. Hy-Q arbejder på simulation baseret på lyspartikler, såkaldte fotoner, hvorimod forskere ved QDev benytter netværk af kvanteøer, der har elektron-tilstande, som ligner kvantetilstande hos atomer og molekyler.

Det unikke ved SolidQ er ikke kun samarbejdet mellem forskellige forskningsfelter indenfor fysik, nemlig kvanteelektronik og fotonik, men også den tætte involvering af kemikere. Begge centre arbejder sammen med professor Gemma C. Solomon og hendes team på Kemisk Institut. Som lektor Mark Rudner forklarer: "at have kemisk ekspertise i gruppen hjælper os med at forstå, hvad vi rent faktisk lærer om naturen ved at studere den kunstige verden, hvor vi har mere kontrol". Mens begge platforme hver især har et stort potentiale, vil SolidQ også undersøge mulighederne i krydsfeltet mellem de to hardwareplatforme. Den langsigtede ambition med projektet er at bygge de to platforme sammen, så de udvider den vifte af kemiske problemer, som kvantesimulerings-hardware kan adressere, og dermed øger vores forståelse af naturen.

Jacques Carolan og Anasua Chatterjee
Postdoc Jacques Carolan og adjunkt Anasua Chatterjee i laboratoriet hos Center for Quantum Devices. I baggrunden prof. Jesper Nygård og lektor Ferdinand Kuemmeth.

Fra legetøjsmodeller i lærebøger til løsning af konkrete problemer

Samarbejdet på SolidQ markerer et spændende skridt indenfor et felt i hastig udvikling. Professor i eksperimentel faststoffysik Jesper Nygård fortæller, hvordan de bevæger sig fra forenklet fysik og lærebogsmodeller til noget, der er mere realistisk og brugbart, når det kommer til at bygge simulatorer. "I mere end 20 år har vi arbejdet med at udvikle de mest idealiserede og enkle kunstige atomer baseret på kvanteøer i laboratoriet for at kunne forstå kvantefysikken. Nu er vi ved at nå en fase, hvor vi kan begynde at sætte atomerne sammen og danne molekyler og tilføje vibrationer og vekselvirkninger."

Alt dette kan lade sig gøre, fordi fysik-byggeklodserne nu er tilstrækkeligt modne, forklarer professor Peter Lodahl. "Det er rigtig spændende, at vi nu kan begynde at opbygge vores hardware til at løse problemer i den virkelige verden," tilføjer han. Et af de konkrete problemer, som SolidQ ønsker at løse, er vores forståelse af proteinfoldning i forbindelse med lægemiddelforskning. På Hy-Q-siden af projektet vil Peter Lodahl, Anders Søndberg Sørensen og deres grupper udvikle en specialiseret kvantesimulator, der simulerer proteiners foldningsproces. Med det vil de arbejde hen imod et værktøj, der kan give indsigt i, hvordan denne foldningsproces rent faktisk virker.

Deres kolleger på QDev fokuserer på at forstå antennekomplekser, som er grupper af molekyler, der omdanner lysenergi. Ved at opbygge netværk af kunstige atomer vil de studere kunstige elektroniske reaktioner i laboratoriet under de særlige forhold og temperaturer, som er nødvendige. "Ved lav temperatur foregår de kemiske reaktioner langsommere, så det er muligt for os at studere dem i større detalje, samtidig med at man systematisk ændrer relevante parametre", siger Lektor Ferdinand Kuemmeth fra QDev. For Ferdinand Kuemmeth og holdet på QDev er spørgsmålet, i hvor høj grad man kan lave kunstig kemi, hvis man sætter flere atomer sammen, og hvordan det kan give indsigt i realistiske reaktionsdynamikker. En af udfordringerne ved at arbejde med mange atomer, dvs. opskalering af hardwaren til større systemer, er at sikre, at alle kunstige atomer er af så høj kvalitet og ensartethed, at de ikke kræver meget justering for at imitere naturlige atomer. SolidQs materialeforskning vil undersøge måder, hvorpå man kan fabrikere næsten identiske kvanteøer som bare skal finjusteres.

Se på, hvad der kan lade sig gøre her og nu

For nogle lyder det at erstatte klassiske computere med specialiserede kvantecomputere stadig som noget fra en fjern fremtid. Men som professor Gemma C. Solomon udtrykker det: Hvorfor ikke se på, hvad vi kan gøre nu? "Ideen er at zoome ind på en lille del af et komplekst problem og se på, hvad der er muligt med den hardware, der kan udvikles lige nu og her," siger hun. "Projektet er en mulighed for at undersøge, hvor hurtigt det vil være muligt at vise fordelene ved kvanteteknologi."

Uanset udfaldet af denne forskning viser bredden af videnskabelige kompetencer indenfor SolidQ sig allerede at være inspirerende. "At blive tvunget til at forklare noget for hinanden udfordrer os til at se udover vores eget ekspertiseområde," siger Gemma C. Solomon.

SolidQ-gruppen består af forskere fra Center for Quantum Devices, the Center for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q) og Kemisk Institut, Københavns Universitet. SolidQ er støttet af Novo Nordisk Fondens Challenge program.

Holdet bag SolidQ

Anasua Chatterjee 

Anasua Chatterjee (Assistant Professor, Center for Quantum Devices)
“At very low temperatures, our artificial molecules are almost frozen, allowing us to observe and manipulate individual reactions in real time, one “atom” at a time.”

Ferdinand Kuemmeth

Ferdinand Kuemmeth (Associate Professor, Center for Quantum Devices)
“As physicists we often view quantum dots as artificial atoms, but this is the first time that we will play chemist and perform artificial chemical reactions. I look forward to this opportunity.”

Brian Møller Andersen 

Brian Møller Andersen (Associate Professor, NBI)
“Realization of new tunable engineered quantum simulators will have important implications for our understanding of advanced quantum materials, including interaction-driven emergent electronic phases.”

Mark Rudner  Mark Rudner (Associate Professor, Center for Quantum Devices)
“This project is an exciting opportunity to explore how emerging quantum technological devices can open new windows into the intriguing physics of quantum reaction dynamics and energy transport, with an outlook toward tackling some of the most significant challenges facing society today.”
Thomas Sand Jespersen  Thomas Sand Jespersen  (Associate Professor, Center for Quantum Devices)
Dissipation and transport of energy in complex molecules is important for many biological systems and with this project we get an exciting opportunity to deepen our understanding of these processes by performing simulations in small engineered quantum systems
Gemma C. Solomon  Gemma C. Solomon (Professor, Nano-Science Center and Department of Chemistry)
“Computational chemistry transformed our understanding of molecular systems in the twentieth century, with this project we explore how quantum simulators can deliver chemical insight for the twenty-first.” 
Jesper Nygård
Jesper Nygård  (Professor, Center for Quantum Devices)
“With Solid-Q we challenge ourselves to bring our highly refined quantum devices into the context of chemical reactions and biochemistry. We greatly appreciate that the Novo Nordisk Foundation has given us the opportunity to explore this new direction.“ 
Jens Paaske Jens Paaske  (Associate Professor, Center for Quantum Devices)
“Adding artificial vibrational modes to quantum dot arrays will allow us to emulate real molecules alongside with some of their chemical functionality. If this works out, these solid state simulators provide a powerful tool for prediction and understanding complex  non-linear quantum systems.”
Anders Sørensen Anders S. Sørensen (Professor, Center for Hybrid Quantum Networks)
“With quantum simulators we have the possibility of a major breakthrough in our ability to simulate quantum dynamics. With Solid-Q we want to turn this dream into reality.”
Peter Lodahl
Peter Lodahl (Professor, Center for Hybrid Quantum Networks)
“Photonics offers exciting prospects of scaling up available quantum hardware to realize quantum simulators. Within Solid-Q we will follow that pathway based on our newly developed deterministic single-photon and multi-photon-entanglement source”
Jacques Carolan Jacques Carolan(Marie Skłodowska-Curie Global Fellow,  Center for Hybrid Quantum Networks)
“Solid-Q will enable us to simulate critical biochemical processes across a range of energy scales; an overwhelming challenge for conventional computers.”