Snabbare kvantframsteg med öppna programvaran Superconga

Kvantteknologin förväntas förändra många viktiga samhällsområden i grunden. Forskarna är övertygade om att det finns betydligt fler användbara kvantegenskaper – och tillämpningsområden – att utforska än de vi känner till idag. Nu har en grupp Chalmersforskare utvecklat en öppen och fritt tillgänglig programvara som ska bana väg för nya upptäckter på området och snabba upp kvantforskningen betydligt.

Inom ett par decennier förväntas kvantteknologin bli en nyckelteknologi inom områden som hälsa, kommunikation, försvar och energi. Teknologins kraft och potential ligger i kvantpartiklarnas udda och väldigt speciella egenskaper. Extra intressant för forskare inom fältet är kvantpartiklarnas supraledande egenskaper som ger komponenter perfekt ledningsförmåga med unika magnetiska egenskaper.

Dessa supraledande egenskaper betraktas som konventionella idag och har redan har banat väg för helt ny teknologi som används inom exempelvis magnetröntgenutrustning, svävande tåg och kvantdatorkomponenter. Men fortfarande återstår flera års forskning och utveckling innan till exempel en kvantdator kan förväntas lösa reella beräkningsproblem i praktiken. Och forskarsamhället är övertygat om att det finns betydligt fler revolutionerande upptäckter att göra inom kvantteknologin än de vi känner till idag.

Öppen källkod för att utforska nya supraledande egenskaper
Grundforskning inom kvantmaterial utgör fundamentet för all kvantteknologisk innovation – från transistorns födelse 1947, via lasern på 60-talet till dagens kvantdatorer. Men att utveckla och genomföra experiment på kvantmaterial är ofta mycket resurskrävande, tar många år att förbereda och ger allt som oftast svårtolkade resultat.

Nu har en forskargrupp vid Chalmers utvecklat den öppna programvaran SuperConga, fri att använda för alla, och speciellt utformad för att kunna utföra avancerade simuleringar och analyser av kvantkomponenter. Programmet arbetar på så kallad mesoskopisk nivå*, vilket innebär att det kan göra simuleringar som klarar av att ”hämta” kvantpartiklarnas egendomliga egenskaper, men också tillämpa dem i praktiken.

Den öppna källkoden är världens första i sitt slag och förväntas kunna utforska helt nya supraledande egenskaper och på sikt bana väg för kvantdatorer som med avancerade beräkningar kan ta sig an samhällsutmaningar inom flera områden.

– Vi är specifikt intresserade av okonventionella supraledare, som är en gåta när det kommer till hur de ens fungerar och vad de har för egenskaper. Vi vet att de har ett par eftersträvansvärda egenskaper som gör att kvantinformation kan skyddas från störningar och fluktuationer. Just störningar är det som idag begränsar oss från att ha en kvantdator som kan användas i praktiken. Och här är grundforskning på kvantmaterial en förutsättning för att komma framåt, säger Mikael Fogelström, professor i teoretisk fysik vid Chalmers.

Hittills är dessa nya supraledare högst gåtfulla material – precis som sina konventionella syskon en gång var när de upptäcktes i ett laboratorium för mer än hundra år sedan. Efter den upptäckten skulle det dröja drygt 40 år innan forskarna kunde beskriva dem i teorin. Chalmersforskarnas förhoppning är nu att deras öppna källkod ska kunna bidra till helt nya fynd och tillämpningsområden.

– Vi vill kunna ta reda på alla de andra spännande egenskaperna hos de okonventionella supraledarna. Vår programvara är kraftfull, pedagogisk och användarvänlig och vi hoppas att den ska hjälpa till att skapa ny förståelse och även föreslå helt nya tillämpningar för dessa outforskade supraledare, säger Patric Holmvall, postdoktor i kondenserade materiens fysik vid Uppsala universitet.

Vill underlätta för kvantforskare och studenter
För att kunna utforska nya revolutionerande fynd behövs verktyg som klarar av att studera och nyttja de extraordinära kvantegenskaperna på minimal partikelnivå – och som samtidigt kan skalas upp tillräckligt stort för att de ska kunna användas i praktiken. Forskarna behöver då arbeta inom den mesoskopiska skalan*. Den ligger i gränslandet mellan den mikroskopiska skalan – det vill säga atomär nivå, där partiklarnas kvantegenskaper fortfarande kan nyttjas – och den makroskopiska skalan, som mäter vardagliga ting i vår omvärld som, i motsats till kvantpartiklarna, lyder under den klassiska fysikens lagar.

Genom programvarans kapacitet att kunna arbeta på just mesoskopisk nivå hoppas Chalmersforskarna nu på att underlätta för forskare och studenter som ägnar sig åt kvantfysik.

– Idag används ofta väldigt förenklade modeller, baserade på antingen den mikroskopiska eller makroskopiska skalan. Det innebär att de inte lyckas fånga in all den viktiga fysiken eller att de inte går att använda i praktiken. Med den här fria programvaran vill vi underlätta för andra att kunna accelerera och förbättra sin kvantforskning utan att behöva uppfinna hjulet på nytt varje gång, säger Tomas Löfwander, professor i tillämpad kvantfysik vid Chalmers.

Mer om forskningen:
Den vetenskapliga artikeln SuperConga: An open-source framework for mesoscopic superconductivity har publicerats i Applied Physics Reviews och är skriven av Patric Holmvall, Niclas Wall Wennerdal, Mikael Håkansson, Pascal Stadler, Oleksii Shevtsov, Tomas Löfwander och Mikael Fogelström. Forskarna är verksamma vid Chalmers och vid Uppsala universitet.
SuperConga är en programvara med öppen källkod och kan laddas ner fritt.

*Mer om mikroskopisk, mesoskopisk och makroskopisk skala
Den mesoskopiska regimen befinner sig i gränslandet mellan den makroskopiska och mikroskopiska regimen.

• I den makroskopiska regimen (typiskt millimeter och större) dominerar den klassiska fysiken, och den beskriver vardagliga ting såsom fotbollar, katter eller kanske en kaffekokare.
• Detta står i kontrast till den mikroskopiska regimen där kvantfysiken råder och betydligt mindre ting kan mätas, såsom elektroner, atomer och andra partiklar. På den här minimala skalan kan kvantpartiklarnas udda egenskaper utforskas – egenskaper som gör att de kan befinna sig på två platser samtidigt eller vara perfekt ledande.
• Mesoskopiska kvantkomponenter (typiskt mikrometer ner till nanometer) är så pass små att kvantpartiklarnas märkliga egenskaper kan nås och användas, men samtidigt så pass stora att de kan tillämpas i praktiken.

Sedan tidigare finns öppna källkoder för simuleringar på antingen mikroskopisk nivå eller på mer makroskopisk nivå. SuperConga är världens första fritt tillgängliga programvara som kan göra simulationer av supraledare på mesoskopisk nivå.

För mer information, kontakta

• Mikael Fogelström, professor i teoretisk fysik och prefekt, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers, 031-772 31 96, mikael.fogelstrom@chalmers.se
• Patric Holmvall, postdoktor i kondenserade materiens fysik, institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, patric.holmvall@physics.uu.se
• Tomas Löfwander, professor i tillämpad kvantfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers, 031-772 80 31 tomas.lofwander@chalmers.se