​Per Delsing. Foto: Anna-Lena Lundqvist

Delsing söker sanningen om tillvarons minsta beståndsdelar

Per Delsing är professor i experimentell fysik på avdelningen för kvantkomponentfysik på MC2, och medlem av styrkommittén för EU:s kommande forskningssatsning Quantum Technology. Han vill lyssna sig fram till sanningen om tillvarons minsta beståndsdelar.
En som aldrig hört talas om den så kallade kvasipartikeln kan nog känna sig ursäktad.
Men på samma sätt som den mer välbekanta fotonen är en enstaka partikel av elektromagnetisk strålning, till exempel ljus, så kan också ljud brytas ned till en minsta möjliga enhet: Fononen.
Och liksom andra fenomen i de små tingens fysik så omfattas även ljudpartikeln av kvantmekanikens lagar.
 
Sedan ett par år tillbaka har det öppnats ett helt nytt forskningsområde inom fysiken, kvantakustik, vilket nu engagerar Per Delsing mer än något annat.
– För fem år sedan hade jag ingen aning om att vi skulle syssla med detta idag. Just nu gör vi experiment som ska undersöka kvantfluktuationer hos ljudpartiklar, fluktuationer som kan beskrivas som att ljud uppstår ur ingenting för att i nästa ögonblick försvinna igen.
– Såvitt jag vet är det ingen som gjort detta tidigare. Jag hoppas vi blir först.
 
2017 har det gått tjugo år sedan han blev professor i experimentell fysik på Chalmers, ”med inriktning på tunnling och en-elektronik” som det då hette i beskrivningen.
En komprimerad version låter ungefär så här när han själv beskriver det:
– Vi tillverkar väldigt små elektroniska kretsar som vi sedan kyler ned till riktigt låg temperatur. De blir då supraledande, det vill säga det elektriska motståndet försvinner. Sedan skickar vi elektrisk ström genom komponenten och försöker förstå vad som händer.
En speciell sak som då kan inträffa är att en enstaka elektron tar sig igenom en konstgjord barriär som den normalt sett inte borde kunna passera.
Att detta ändå med viss sannolikhet sker, hänger samman med kvantmekanikens lagar och det faktum att en elektron inte bara är en partikel utan också en våg.
– Det är just detta som är en så kallad kvanttunnling. Det var där jag startade och i grund och botten är det också vad jag fortfarande gör.
 
Men lika lite som ett kvantsystem kan hålla sig helt stilla har Per Delsing gjort det som forskare.
– Jag har rört mig från elektroner till fotoner och nu alltså även till fononer. Men hela tiden har det varit enstaka partiklar och deras kvantfysiska egenskaper som varit mitt stora intresse, säger han.
Varför är detta så intressant?
– Grunden för mig är den rena nyfikenheten. Jag vill förstå hur kvantfysiken funkar. Den strider ju mot vår intuition, men varför gör den det? Sådana frågor tycker jag är spännande. Och när man emellanåt gör en upptäckt och inser något som ingen förstått förut – det ger en väldig glädje.
Så när Per Delsing och hans kollegor i MC2-labbet nu genomför till synes skruvade experiment, som att låta ljud växelverka med supraledande konstgjorda atomer, så är syftet helt enkelt att ta reda på vad som händer om man gör på detta viset.
– Elektroner, fotoner och fononer är egentligen bara olika verktyg, som tillsammans kan ge en mer komplett bild av vad kvantmekanisk växelverkan är.
 
Per Delsing har varit en utpräglad experimentalist under hela sin karriär, även om han säger sig ”förstå en del teori”. Därför växelverkar han gärna med teoretiska fysiker, inte minst med professor Göran Johansson, som sitter en korridor bort i MC2-huset.
– Det är lite ovanligt i fysikforskarvärlden att praktiker och teoretiker arbetar så nära varandra. Göran räknar ofta på sådant som vi mäter – och föreslår saker
som vi skulle kunna mäta. Och vi publicerar ofta tillsammans.
 
Även om Per Delsing i själ och hjärta har grundforskarens perspektiv på sitt arbete, så tangerar hans forskning en av samtidens riktigt storstilade potentiella uppfinningar – kvantdatorn. Potentiell, eftersom någon allmänt erkänd och generell kvantdator ännu inte har byggts, trots att mer än tre decennier gått sedan idén föddes.
– Det var ett omvälvande vetenskapligt genombrott när det visade sig att den typen av mycket små elektroniska kretsar som jag och många andra fysiker experimenterade med även kunde användas som kvantbitar, det vill säga som byggstenar i en framtida kvantdator, berättar Per Delsing.
Det här var i slutet av 1990-talet. Till att börja med hade de kvantbitar som forskarna sedan med stor möda konstruerade i laboratorier världen över prestanda som var urusla ur datorperspektiv: det åtråvärda så kallade kvanttillståndet kollapsade redan efter ett par nanosekunder – det vill säga inom två miljarddelar av en sekund.
På så kort tid hinns inte mycket vettigt beräkningsarbete med.
Idag, snart tjugo år senare, skapar forskarna kvantsystem som kan kontrolleras mycket bättre och som ”varar” uppåt 100 mikrosekunder – eller en tiotusendels sekund.
Detta kan fortfarande låta som en oerhört kort tidsrymd, men Per Delsing påpekar att det innebär en ökning med fyra eller fem tiopotenser – en drastisk förbättring.
Antalet beräkningsoperationer som nu kan utföras är betydande. Trots detta är svårigheten med att hålla
kvanttillståndet vid liv – den så kallade koherenstiden – en av de stora utmaningarna i arbetet med att förverkliga en användbar kvantdator. Helst skulle man förstås vilja skapa en dator där kvanttillståndet kan
upprätthållas så länge som beräkningen kräver.
Detta försöker kvantdatorforskarna åstadkomma genom så kallad felkorrigering.
– På en vanlig dator är det ganska enkelt att rätta till fel, genom att låta flera kretsar göra samma beräkning parallellt. Om då fyra visar samma resultat, medan den femte påstår något annat, så kan man vara rätt säker på vilket svar som är det rätta, förklarar Per Delsing.
Ett kvantsystem är däremot så känsligt för störningar att det kollapsar om man försöker läsa av det. Därför måste fel kunna upptäckas och korrigeras med indirekta metoder – det blir lite som att spionera och fixa till i stället för att titta efter och justera.
– Numera finns dock koncept för korrigering som skulle kunna fungera. Man tänker sig att många, kanske hundratals kvantbitar kopplas samman till en logisk kvantbit, berättar Per Delsing.
Idén är att man då kan låta några fysiska kvantbitar kollapsa i samband med att fel korrigeras – men utan att hela kvantsystemet bryter ihop.
 
Andra stora och svåra problem kring en framtida kvantdator har mer med kostnaderna att göra: kringutrustningen som krävs för att kunna skicka signaler till varje enskild kvantbit och för att kunna hantera de enorma datamängder som uppstår blir sannolikt väldigt dyr.
Och att kyla ned kvantdatorn till strax över absoluta nollpunkten är inte heller gratis.
Ändå har den grundläggande tekniken enligt Per Delsing nu kommit så långt att det ser ut som att en fungerande och användbar kvantdator faktiskt skulle kunna bli verklighet inom en överskådlig framtid.
– Men det kommer nog att dröja minst tio år innan vi är där. Kvantdatorn hör till den kategori av uppfinningar som visserligen är väldigt svåra att förverkliga, men där den potentiella nyttan samtidigt är mycket stor.
Därför välkomnar han de senaste årens upptrappade intresse för kvantdatorutveckling hos Google, IBM, Microsoft och flera andra storföretag – liksom det så kallade forskningsflaggskepp inom kvantteknologi som nu förbereds inom EU (se separat artikel).
 
För egen del betecknar Per Delsing sig däremot inte som någon kvantdatorforskare, även om forskningen han gör delvis är relevant för utvecklingen av kvantdatorn.
Men vad innebär det för en grundforskare när en så pass epokgörande tillämpning börjar kasta sin skugga över det egna forskningsområdet? Finns det en risk att kvantdatorn blir ett nyttighetsargument, en barlast som man tvingas släpa runt på?
– Ja, ibland kan det nog kännas så. Speciellt när man söker pengar, medger han.
– Det finns ju särskilda anslag att söka för forskning på kvantdatorer. Så visst händer det att vi resonerar som så: nu vill vi göra en viss forskning, eftersom den är vetenskapligt relevant. Hur kan vi beskriva detta i termer av kvantdatorer?
Om ansökan beviljas kan ett dilemma uppstå, särskilt om forskarna upptäcker något nytt och spännande som de inte räknat med.
– Kan vi verkligen lägga tid på detta nya, när vi lovat att göra det där som vi fick pengar för? I praktiken löser vi det oftast genom att göra lite av båda, konstaterar han.
 
Just nu är dock Per Delsing välfinansierad och anser sig ha stor handlingsfrihet att forska om det han finner intressant. Exempelvis blev han för några år sedan så kallad Wallenberg Scholar och 2015 utsågs han av Vetenskapsrådet till rådsprofessor, med vidhängande tioårig finansiering.
– Får jag en idé som är jätteintressant, så kan jag göra det jag vill utan vidare. Det är viktigt för alla forskare att åtminstone ha några sådana ”fria pengar”, tror jag.
 
I visionen för det styrkeområde som Per Delsings grupp ingår i – Nanovetenskap och nanoteknik – talas om att ”lösa samhälleliga utmaningar”.
Påverkar den målsättningen vad du ägnar dig åt? Hur samhällsnyttig är du egentligen?
– Det finns en spännvidd mellan grundforskning och tekniska tillämpningar och det är givet att min forskning ligger närmare det förra. Men samhället behöver både och – vilket gäller även för styrkeområdet, svarar han.
– Man kan också se det som att all forskning är tillämpad och nyttig. Frågan är bara hur lång tidshorisont man har.
Han tillägger att grundforskning inte sällan ger spin-offs, som kan ge praktisk nytta även i det korta perspektivet:
– Ett exempel från vår forskning som är aktuellt just nu är en ny typ av kvantbaserade förstärkare som ger ett extremt lågt brus. Mölndalsbaserade Low Noise Factory – ett företag med rötter i annan MC2-forskning – är väldigt intresserade av att börja tillverka sådana, berättar Per Delsing.
 
Att en framtida kvantdator har potential att på sikt bli samhällsnyttig är de flesta överens om. Men Per Delsing tror det kommer att dröja ett bra tag innan gemene man känner att den har förbättrat hens liv.
– Mycket talar för att den första ”nytta” som en färdig kvantdator kommer att göra blir att simulera kvantsystem åt oss kvantforskare.
 
Text: Björn Forsman
Foto: Anna-Lena Lundqvist
 
Publicerad med benäget tillstånd av Chalmers magasin, där den ingår i #4 2016.
 
FAKTA – PER DELSING
Född 1959, uppvuxen i Skåne, studerade teknisk fysik i Lund.
Doktorerade vid Chalmers 1990, där han sedan stannat kvar som forskare och lärare inom nanoteknik och kvantfysik.
Professor sedan 1997, invald i Ingenjörsvetenskapsakademin 1999. Ledamot av Vetenskapsakademin sedan 2007 och även ledamot av dess fysikkommitté, som utser Nobelpristagare, fram till förra året ("en av de roligaste och mest allmänbildande arbetsuppgifter jag haft").
Uppmärksammad bland annat för experiment som påvisar att ljus faktiskt kan uppstå ur vakuum (den dynamiska Casimir-effekten, 2011).
Gift med Désirée, språklärare, fyra vuxna döttrar, bor i Landvetter.
På fritiden: Resor, gärna i kombination med utförsåkning. Sommaren tillbringas dock i stuga i den bohuslänska skärgården och då blir det tennis i stället för skidåkning.

Publicerad: fr 16 dec 2016. Ändrad: må 23 jan 2017