Kvantemekanisk gennembrud: Dansk chip kan styre lys-partikler

Forskere fra Niels Bohr Instituttet har udviklet en chip, der kan styre fotoners retning og dermed indkode dem med data. Chippen er næste skridt mod fremtidens kvantecomputere.

Chippen kan styre fotoner ved at bestemme elektroners såkaldte spin. Er elektronens spin ned, bevæger fotonen sig i en retning (blå). Er elektronens spin op, bevæger fotonen sig i den anden retning. (orange). Det kan bruges til at lagre information i fotonerne, så de kan bruges i en kvantecomputer. (© Sahand Mahmoodian/Søren Stobbe/NBI)

Fremtidens supercomputere bliver sandsynligvis ekstremt avancerede og stærkt specialiserede kvantesimulatorer, der kan knuse store datamængder på en helt ny måde.

Teknologien ligger dog stadig ude i fremtiden.

Men nu har forskere fra Niels Bohr Instituttet taget et vigtigt skridt mod at kunne bygge en kvantecomputer, der fungerer ved hjælp af lys.

De har nemlig konstrueret en såkaldt fotonisk chip, der gør noget, som ikke tidligere har været muligt. Den kan lave enkelte fotoner, der er små lyspartikler, og blandt andet styre hvilken vej de skal bevæge sig.

- At vi kan retningsbestemme fotoner er et stort skridt. Havde du spurgt mig for et år siden om man kunne det her, havde jeg sagt nej. Vi bryder noget symmetri her, som vi ikke troede, var muligt. Det er en stor opdagelse i sig selv, siger Peter Lodahl, der er professor og leder af forskningsgruppen Kvantefotonik ved Niels Bohr Instituttet.

Kan styre fotonernes retning

Ved at belyse et såkaldt kvantepunkt i den fotoniske chip med laserlys, kan forskerne skabe og manipulere enkelte fotoner – og altså blandt andet kontrollere den retning, de udsendes i.

Opdagelsen, der publiceres i næste nummer af Nature Nanotechnology, er ekstremt vigtig indenfor kvanteteknologi. For vil man bruge fotoner til at sende information med, skal man kunne kode en foton ad gangen.

- Vi kan vælge om fotonerne skal spinne op eller ned. Det definerer om de bevæger sig til højre eller til venstre. Hvis jeg tænder en lampe, flyver fotonerne ud i alle retninger og udsendes mange ad gangen. Vi har brug for en lyskilde, der kun sender én foton ud af gangen og i den ønskede retning. Og det har vi nu, siger Peter Lodahl.

To tilstande på samme tid

Når Peter Lodahl og hans kolleger, ved hjælp af kvantemekanisk spin, kan bestemme hvilken retning fotonerne bevæger sig, kan de lagre informationer i dem.

En normal computer bruger transistorer til at regne binært, som er lange rækker af et-taller og nuller, ved hjælp af elektroner. Det er sådan en computer regner på ting eller forstår data om man vil.

Fordelen ved kvantemekanikken, og i det her tilfælde den fotoniske chip, er, at den kan kode fotonerne til at være et-taller og nuller – eller begge dele på samme tid.

- En normal computer kan forstå skiftevis etter og nuller. Kvantecomputeren kan regne på begge dele samtidigt, forklarer Peter Lodahl.

Det er her kvantemekanik bliver svært at forstå. Men muligheden for, at en bit kan være både et og nul på en gang, har enorme konsekvenser for fremtidens computere.

Kvantecomputeren lader vente på sig

Ifølge Peter Lodahl, der sammen med kollegerne Immo Söllner, Sahand Mahmoodian og Søren Stobbe, har udviklet den fotoniske chip i samarbejde med Korea Institute of Technology, er der stadig noget vej mod en praktisk kvantecomputer.

Men ikke så lang vej. Den nye teknologi har nemlig den store fordel, at den er baseret på de samme halvledermaterialer, som kendes fra den normale computerindustri.

Den fotoniske chip er den første af sin slags. Forskerne bag har allerede taget patent på teknologien, som bringer os et skridt nærmere egentlige kvantecomputere, som anses for at være fremtiden for blandt andet supercomputere. (Foto: Ola Jakup Joensen)

Det betyder, at vejen fra laboratorium til anvendelse er kortest mulig.

- Det her er de første spæde skridt fra fysik til egentlig teknologi. Vi begynder at kunne se hvordan vi skal konstruere den her gryende teknologi, hvordan hardwaren kan bygges, forklare Peter Lodahl.

Han og kollegerne har patenteret den nye teknologi og overvejer også at starte en virksomhed på baggrund af den fotoniske chip.

- Det her er meget specielle fotoniske komponenter, som man ikke kan købe. Vi fabrikerer dem selv. Allerede nu er der en stigende forskningsaktivitet, som på sigt bliver en stor industri, siger han.

Kvantesimulatorer om fem til ti år

Deres næste skridt er at skalere teknologien.

De kan i dag bygge en kvantebit ad gangen. Næste skridt er at få flere af dem til at fungere sammen i et kvantenetværk.

Men fremtiden er lys for den gryende teknologi. For grænserne for hvor kraftige og hurtige normale computere kan være, nærmer sig.

- Mulighederne for de her kvantecomputere er kolossale. Vil man regne på Big Data kræver det enorm regnekraft. Vil man forstå et komplekst molekyle eller hvordan medicin transporteres rundt i kroppen, vil højt specialiserede kvantesimulatorer kunne gøre en enorm forskel, forklarer Peter Lodahl.

Han forudser, at computerne – i hvert fald i begyndelsen – bliver højt specialiserede kvantesimulatorer, som er dedikerede til at løse specifikke problemer, som almindelige computere ikke kan løse.

- Vi ser allerede primitive kvantecomputere nu. Men højt specialiserede kvantesimulatorer er virkeligheden om fem til ti år, siger Peter Lodahl.