Wallenberg Academy Fellows

Supraledande material för framtidens kvantdator

Många vill vara först med att bygga en kvantdator, Annica Black-Schaffer är en av dem. Hon studerar en typ av supraledande material där ytan har en speciell elektronstruktur som man tror kan användas för att få robusta kvantmekaniska beräkningar.

Kvantmekanikens teorier beskriver vad som händer med materiens och partiklars energier på mikroskopisk skala. Första inblicken i kvantmekanikens fascinerande värld fick Annica Black-Schaffer under utbildningen till civilingenjör i teknisk fysik och elektronik vid Linköpings universitet. Efter examensarbetet ville hon lära sig mer. Att bli forskare kändes naturligt.

– Jag trivs med att tänka och fundera hela dagarna. Ibland är det frustrerande såklart, men när man väl kommer på något som kanske ingen annan har tänkt på innan, då är det väldigt kul. Det jag tycker är roligast är att förstå hur material fungerar på områden där kvantmekaniska effekter har stor betydelse.

År 2009 disputerade Annica Black-Schaffer på Stanford University, där hon även var utbytesstudent under civilingenjörsstudierna. Sedan tiden i USA studerar hon kvantfenomenet supraledning, som uppstår i vissa material under en kritisk temperatur.

– I supraledande material finns inget elektriskt motstånd, de kan därför leda ström helt utan energiförluster.

Materialen har redan många spännande tillämpningar, bland annat inom medicinsk teknik och överföring av elkraft. Ända sedan supraledning iakttogs för första gången 1911 har det varit föremål för omfattande forskning.

Supraledning är en helt kvantmekanisk effekt, förklarar Annica Black-Schaffer, samtidigt är det något man kan ganska enkelt observera och mäta.

– Det är inte ofta kvantmekaniken är så observerbar. I projektet som har stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse studerar vi en relativt ny klass av material som kallas topologiska supraledare, där kvantdatorer är en väldigt lockande tillämpning.                   

Materialfysik bakom tekniksprång

Inom den kondenserade materiens fysik, dit studier av supraledare hör, undersöks grundläggande egenskaper hos fasta ämnen eller vätskor, ända ned på elektronnivå. Utvecklingen av ny elektronik är en stor drivkraft för forskningen. Transistorn är ett exempel, och det mesta i den där burken, säger Annica Black-Schaffer och pekar på datorn under skrivbordet.

– Teknologiska paradigmskiften uppstår ofta ur någon grundläggande materialfysikalisk egenskap som man kommit på, eller kan utnyttja bättre.

Att kunna dra nytta av partiklars kvantmekaniska tillstånd för att utföra beräkningar, sortera och lagra data, skapar hisnande möjligheter. En kvantdator skulle slå vilken vanlig superdator som helst, konstaterar Annica Black-Schaffer, och det är en kapplöpning internationellt för att hinna först.

Problemet forskarna brottas med är att alla kvanttillstånd förstörs så lätt i vår makroskopiska värld.

– Vi tror att de egenskaper som finns i topologiska supraledare skulle kunna göra kvantmekaniska beräkningar mer robusta. Elektronernas struktur, deras topologi, ser inte ut som hos en vanlig supraledare. De har ett energitillstånd på ytan av materialet som är mycket speciellt.

Söker kvasipartikel

När Annica Black-Schaffer flyttade hem till Sverige efter sex år på Stanford var hon först postdoktor på Nordiska institutet för teoretisk fysik, Nordita, i Stockholm. Sedan 2011 arbetar hon på Uppsala universitet, och huserar med sin forskargrupp i ett rött trähus intill Ångströmlaboratoriet.

Forskargruppen undersöker bland annat en intressant kvasipartikel som verkar finnas i topologiska supraledare. Den är uppkallad efter den italienska fysikern Ettore Majorana och existerar än så länge bara i teorin. Majoranafermioner kan, om man lyckas påvisa dem, få en viktig roll i utvecklingen av kvantdatorn.

– För några år sedan kom man på att det kanske kunde finnas partiklar med Majoranafermionens egenskaper i supraledare. Redan nu finns mycket teori och experiment som pekar i rätt riktning.

Mycket förenklat skulle man kunna säga att en Majoranafermion är en halv elektron. I ett materielsystem med Majoranafermioner har elektronens vågfunktion delats i två helt separata delar. En kvantdators beräkningar kodas via vågfunktioner, och det är här egenskaperna hos Majoranafermionerna kommer in i bilden.

– Genom att lägga dem runt varandra, det vi kallar flätning, skapas ett tillstånd som kan användas för att bygga en stabil kvantdator.

Sporras av nyttan

Det vore roligt att hitta något nytt, summerar Annica Black-Schaffer. Men framförallt vill hon förstå de topologiska supraledarnas egenskaper och hur de kan användas. Och också vilka material och materialkombinationer som är bra.

”Anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse är ett viktigt erkännande av min forskning. Framförallt skapar det möjligheter att bedriva forskning. Att få de här resurserna i ett så tidigt skede av karriären är väldigt värdefullt.”

Forskargruppen samarbetar även med experimentella fysiker.

– Om vi ska använda Majoranafermioner i en kvantdator behöver vi veta hur de beter sig och hur lätta de är att förstöra. Vi jobbar ju teoretiskt och våra teorier har bäring först när de kan verifieras även i experiment.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström