Stephan Smolka har, sammen med et forskerhold på DTU Fotonik og DTU Fysik, fundet frem til nye egenskaber i lys, der kan betyde et generationsskifte inden for informationsoverførsel. (Thorkild Amdi Christensen)

Vi er alle blevet dybt afhængige af, at vi kan overføre information hurtigt og sikkert, når vi tjekker e-mails, køber ind på en hjemmeside, foretager telefonopkald eller tænder for fjernsynet. Med en kraftig stigning i brugen af internettet verden over de seneste år er der efterhånden opstået et akut behov for at finde nye metoder til informationsoverførsel.

Ved hjælp af kvantemekanik har forskere fra DTU Fotonik og DTU Fysik som de første i verden gjort nogle grundlæggende og vigtige opdagelser om lysets evne til at overføre information, der vil hjælpe den internationale forskning tættere på at afhjælpe det behov.

Ikke se skoven for lys

For at forstå, hvad det er for et fænomen, der ligger til grund for den ny forskning, vil det være oplagt at tage en mental spadseretur ud i naturen: Det er normalt let at se et træ på en sommerdag. Lyset fra solen rammer det, og det lys, der kastes tilbage, bliver opfanget af vores øjne. På den måde har lyset overført information til os.

Men hvad sker der, når det bliver tåget?

Solen rammer stadig træet, men fordi de lysstråler, der før bare skulle fra træet til vores øjne, nu skal bevæge sig igennem tågen, før det rammer vores øjne, kan vi ikke længere se andet end et sløret lys. Det, der er sket inde i tågen, er, at lyset er blevet spredt gentagne gange af de mange små vanddråber, hvilket har gjort lysets bane tilfældig. Dermed er lysets information, "her er et træ", gået tabt på grund af vanddråbernes konstante spredning af lysstrålerne.

»Dette fænomen kaldes for 'multipel spredning' af lys. Det er uundgåeligt, når lys skal transporteres igennem uhomogene omgivelser. Det er det samme, der sker, i blandt andet trådløs kommunikation. Her betyder multipel spredning også, at informationen tabes, når den bevæger sig gennem forhindringer,« forklarer ph.d.-studerende Stephan Smolka fra DTU Fotonik, der er med på forskerholdet bag opdagelsen, som er ledet af lektor Peter Lodahl.

Kvantefysikkens rene lys

Kan man beskrive lysets vandring gennem forhindringer, bliver det muligt at forbedre vores evne til at overføre information markant.

Lyset overfører informationer til os hver eneste dag. Ude i naturen sker det ved at lyset kastes fra et objekt, her et træ, så vi kan se det. Men når lyset skal igennem en forhindring, sker der en tilfældig spredning af lyset på vejen, så vi ikke længere modtager informationen. Det samme informationstab sker, når trådløs kommunikation skal finde vej gennem en forhindring. (Illustration: Stephan Smolka)

Men her er den internationale forskning stødt på grund indtil nu. For selv om fænomenet med multipel spredning er velkendt inden for mange videnskabelige grene, så er der ikke blevet gennemført forsøg, der har undersøgt, hvordan enkelte lys-fotoner bevæger sig. Man har indtil nu koncentreret sig om lys, der kan beskrives ved den klassiske fysik, hvor lys opfattes som bølger. Men lys er mere end bølger, og her kommer kvantemekanikken ind i billedet.

Alle typer lys har forskellige karakteristika.

Klassiske lyskilder som elpærer og lasere er fundamentalt forskellige, også selv om de for vores øjne vil se ens ud. Det, der adskiller lyskilderne er fluktuationerne i lyset, der bestemmer, hvor konstant lysintensiteten er.

En elpære vil for eksempel være meget ujævn og blinke, mens laserens lys er mere konstant, og her er kernen: Jo mere lyset blinker, desto dårligere signal og desto større informationstab.

Stephan Smolka var i stand til at fremstille et endnu renere lys end laseren.

»I laboratoriet er vi i stand til at producere en såkaldt 'squeezed' lyskilde, hvor fluktuationerne næsten er eliminerede. Det er det, vi kalder kvantelys, for dette lys kan kun beskrives i en kvantemekanisk teori, og når vi bruger en kvantemekanisk beskrivelse af multipel spredning af lys, viser det sig at åbne for helt nye muligheder for at overføre information,« siger Stephan Smolka.

Nye muligheder

I laboratoriet bruger man naturligvis ikke solen, træer og tåge som medier for lysspredningen, men princippet er fuldstændig det samme. Forskerholdet byggede et komplekst optisk eksperiment for at være i stand til at lave squeezed lys med meget reducerede fluktuationer.

Det er et meget interessant resultat, for verden over forskes der intenst i kvantemekanikkens evne til at forbedre for eksempel informationssamfundet, og med disse resultater har vi en helt ny fundamental forståelse af fotonernes opførsel, der åbner for spændende forskningsmuligheder i fremtiden.

- Stephan Smolka

Lyset blev sendt gennem nanoskopiske krystaller lavet af titaniumdioxid, som er et materiale, der spreder fotonerne ekstremt effektivt. Efterfølgende blev fotonerne målt med ultrafølsomme detektorer, der gjorde det muligt at måle de kvantemekaniske fluktuationer af lyset og dermed skabe forståelse for lysets opførsel på vejen gennem forhindringen.

Forskerholdet kunne overraskende konkludere, at kvantelyset ikke bevæger sig fuldstændig tilfældigt gennem titaniummediet, som det ville være tilfældet for klassiske lyskilder. I stedet fandt man frem til, at det enkelte foton har en direkte indvirkning på et andet fotons bane, for målingerne viste, at der var statistisk sammenhæng mellem fotonernes baner.

Stephan Smolka og forskerholdet demonstrerede på den måde, at når man udnytter kvantelysets egenskaber til at finde vej gennem forhindringer, så går informationen ikke fuldstændig tabt.

»Opdagelsen betyder, for nu at vende tilbage til den mentale spadseretur, at træet ganske vist ikke bliver synligt i tågen. Men ved hjælp af kvantelyset er det muligt at lagre nogle informationer i det lys, der blev sendt gennem tågen,« lyder det fra Stephan Smolka.

Hermed er det første skridt taget mod at kunne bruge kvantelyset, fordi holdet fra DTU Fotonik og DTU Fysik har kombineret forskning i multipel spredning og kvanteoptik som de første nogensinde og bevist, at det er muligt at udnytte kvantelysets særlige egenskaber til at overføre information igennem medier, som ellers er uigennemsigtige og derfor normalt ville slette al information.

Så selvom Stephan Smolka ikke gør træet synligt, så viser hans opdagelse, at kvantelyset kan overføre informationen. Et muligt fremtidsscenarie for denne opdagelse kunne være, at træet bliver fuldt synligt gennem tågen, men det vil kræve yderligere forskning, før det i givet fald bliver en realitet.

»Det er et meget interessant resultat, for verden over forskes der intenst i kvantemekanikkens evne til at forbedre for eksempel informationssamfundet, og med disse resultater har vi en helt ny fundamental forståelse af fotonernes opførsel, der åbner for spændende forskningsmuligheder i fremtiden,« siger Stephan Smolka.

Lavet i samarbejde med DTU Avisen, Danmarks Tekniske Universitet.