Danske kvantefysikere gør mikroskopisk fremskridt med kolossal betydning

At gå fra en til to er i mange sammenhænge en lille bedrift. Men i kvantefysikkens verden er den helt afgørende. I årevis har forskere verden over arbejdet på at udvikle to stabile kvantelyskilder, så man kan opnå det fænomen, der hedder kvantemekanisk sammenfiltring: Et fænomen med nærmest sci-fi-agtige egenskaber, hvor de to lyskilder kan påvirke hinanden øjeblikkeligt og potentielt på tværs af geografiske afstande. Sammenfiltring er selve grundlaget for kvantenetværk og centralt for udviklingen af en effektiv kvantecomputer.

I dag har forskere fra Niels Bohr Institutet udgivet et nyt resultat i det højt estimerede videnskabelige tidsskrift Science, hvor de er lykkedes med netop at sammenfiltre to kvantelyskilder. Ifølge professor Peter Lodahl, som er en af forskerne bag resultatet, er det et afgørende skridt i bestræbelserne på at videreudvikle kvanteteknologien til næste niveau og ”kvantificere” samfundets computere, kryptering og internet.

”Vi kan nu kontrollere to kvantelyskilder og koble dem med hinanden. Det lyder måske ikke af meget, men det er et kæmpe fremskridt og bygger oven på de sidste 20 års arbejde. Vi har hermed vist nøglen til opskaleringen af teknologien, hvilket er afgørende for de mest banebrydende anvendelser af kvantehardware,” siger professor Peter Lodahl, som har forsket i området siden 2001.  

Al magien sker i en såkaldt nanochip, der ikke er meget større end tykkelsen på et hår, som forskerne også har udviklet gennem de senere år.

Kvantepartikler overhaler verdens kraftigste computer  

Den type af kvanteteknologi, som Peter Lodahls gruppe arbejder med, handler om at bruge lyspartikler, fotoner, som en slags mikrofartøjer, der transporterer kvantefysiske informationer.

Gruppen er førende indenfor netop den disciplin af kvantefysikken, men indtil nu har de kun kunnet kontrollere en enkelt lyskilde ad gangen, da de bl.a. er ekstremt følsomme over for ”støj” fra omverdenen og derfor meget svære at kopiere. Men i det nye resultat er forskerne altså lykkedes med at lave to identiske kvantelyskilder fremfor bare en.

”Sammenfiltring betyder, at man ved at kontrollere den ene lyskilde omgåendepåvirker den anden. Det gør det muligt at lave et helt netværk af sammenfiltrede kvantelyskilder, som alle taler sammen, og som man kan få til at udføre kvantebit operationer på samme vis som bits i en almindelig computer, bare langt mere kraftfuldt,” forklarer postdoc Alexey Tiranov, som er ledende forfatter på artiklen. 

Det skyldes, at en kvantebit både kan være både 1 og 0 på samme tid, hvilket giver en regnekraft som er uopnåelige med dagens computerteknologi. Ifølge Peter Lodahl vil blot 100 fotoner udsendt fra blot en kvantelyskilde allerede indeholde mere information end verdens største supercomputer kan processere.

Med omkring 20-30 sammenfiltrede kvantelyskilder kan man potentielt bygge en universel fejl-korrigeret kvantecomputer – den ultimative ”holy grail” for kvanteteknologien, som store IT virksomheder i disse år pumper mange milliarder i.

Andre aktører skal bygge videre på forskningen

For ifølge Peter Lodahl har den helt store udfordring været at gå fra at kontrollere en til to kvantelyskilder. Det har bl.a. krævet at forskerne har udviklet nanochips som er ekstremt støjsvage og med præcis kontrol over hver enkelt lyskilde.

Men med den nye forskningsmæssige landvinding er den grundlæggende kvantefysiske forskning på plads, og andre aktører kan nu overtage forskernes arbejde i jagten på at gøre kvantefysikken mere anvendt i en række teknologier såsom computere, internet og kryptering.

”Det er for dyrt for et universitet selv at bygge et setup, hvor vi kan kontrollere 15-20 kvantelyskilder. Så nu, hvor vi har bidraget med at forstå den grundlæggende kvantefysik og taget det første skridt på vejen, er en yderligere opskalering i høj grad en teknologisk opgave,” siger Peter Lodahl.  

Forskningen er udført ved Danmarks Grundforskningsfonds ”Center of Excellence for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q)” og er et samarbejde mellem Universitet Bochum i Tyskland og Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.