Innovation

Känslig transistor gör kvantdatorn möjlig

Publicerad
På Chalmers i Göteborg har en märklig transistor sett dagens ljus. Den är så extremt känslig att den kan mäta ljuset från universums födelse, laddningarna på ytan av en halvledare och bitarna i en kvantdator. Det senare öppnar dörren för framtidens supersnabba datorer, som hittills bara funnits i fantasin.

Peter Wahlgren heter den trettioårige doktoranden, numera doktorn, bakom RF-SET-transistorn. "RF" står för radiofrekvent och "SET" för enelektrontransistor (single-electron transistor).

Den ursprungliga enelektrontransistorn har nästan tio år på nacken. Den är oerhört känslig och reagerar på så lite som en hundratusendels elektronladdning. Och den har tusen gånger högre ingångsimpedans än en fälteffekttransistor.

Peter Wahlgrens nya enelektrontransistor är lika känslig som sina föregångare, men dessutom en miljon gånger snabbare. Något så känsligt och snabbt har hittills inte funnits. Den nya transistorn öppnar därför dörren till helt nya tillämpningar. En är som nyckelkomponent i den hittills hypotetiska kvantdatorn.

- Hittills har det varit omöjligt att bygga en kvantdator. Men helt plötsligt har experiment med kvantdatorer som bygger på laddningar blivit möjliga, säger Peter Wahlgren.

Kvantdatorn kan revolutionera möjligheterna att göra omfattande beräkningar. Särskilt bra är den på faktoruppdelning av stora tal. Därmed kan den knäcka "oknäckbara" koder, något som framförallt militärer från jordens alla hörn både fruktar och hoppas på. Det är inte utan anledning som NSA, en av USAs spionorganisationer, är den mest givmilda sponsorn till kvantdatorprojekt.

Kvantdatorn utnyttjar att en liten partikel (det kan vara en foton, en elektron, en atom eller något annat tillräckligt smått) antar ett av flera möjliga kvanttillstånd. Partikeln är då en kvantbit och dess kvanttillstånd motsvarar ettan och nollan i dagens datorer. Men kvanttillståndet blir verkligt först då partikeln observeras; dessförinnan utgör det bara en viss sannolikhet. Så länge kvantbiten får vara ifred är alla tillstånd lika troliga.

På så sätt kan kvantbiten ha alla möjliga värden samtidigt. Tillsammans med andra kvantbitar kan alla tänkbara kombinationer av värden beräknas samtidigt. Förutsättningen är dock att kvantpartiklarna får samverka ostörda; varje yttre störning tvingar partikeln in i ett visst kvanttillstånd, och då förstörs hela beräkningen. Även slutresultatet måste läsas ut mycket snabbt och försiktigt. Det kräver extremt hög känslighet hos läsutrustningen.

- Min transistor är det enda som klarar det, säger Peter Wahlgren självsäkert.

Under de närmaste tre, fyra åren ska Peter Wahlgren och hans kollegor på Chalmers bygga de allra förs-ta delarna till världens första kvantdator. Pengar för det finns redan.

- Vi hoppas kunna bygga två kvantbitar som är kopplade till var-andra och som kan utföra någon form av enklare beräkning, säger han.

Om han lyckas så är det en sensation av stora mått.

Två andra tillämpningarligger kanske närmare i tiden:
- NASA är intresserad av min transistor som förstärkare i en extremt känslig fotodetektor, säger Peter Wahlgren.

Detektorn ska skickas upp i rymden för att leta efter strålningsrester från universums födelse. Rymdsonden är en efterföljare till "Cobe", vars bilder från början av 1990-talet visar hur ojämnt den kosmiska bakgrundsstrålningen är fördelad i universum. Något som givit astrofysiker och kosmologer något att tänka på.

Den kommande sonden ska mäta extremt långvågigt ljus, till skillnad från Cobe som mätte mikrovågor. Nu ska våglängden sexhundra mikrometer mätas. Det är tusen gånger "rödare" än det rödaste ljus vi kan se med våra ögon. Detta kraftigt rödförskjutna ljus, som härrör från tiden allra närmast efter den stora ursmällen, kan svara på frågor om hur allting började.

Den nya transistorn gör det möjligt att detektera detta enormt svaga, långvågiga ljus. Detektorns "optik" består av en pytteliten fjärilsliknande antenn av supraledande bly. Dess signal är så extremt liten att det hittills inte har funnits någon tillräckligt känslig förstärkare. Men med hjälp av Peter Wahlgrens transistor kan detektorn registrera motsvarande det ljus som faller på ett A4-ark på jorden från en enwattslampa på månen, om den får en sekund på sig!

Slutligen finns planer på att placera transistorn i spetsen på ett atomkraftmikroskop. Där ska den svepas fram över ytan på exempelvis en halvledare och registrera avvikelser i det elektriska fältet. Avvikelser som avslöjar defekter i materialet.