Opskrift: Man indfanger 100.000 atomare kalcium-ioner og laserkøler dem til en temperatur på nogle få milli-Kelvin over det absolutte nulpunkt.

Resultat: Et krystal, som kan bruges som lagerenhed i fremtidens supercomputere, og som er at finde på forsiden af juli måneds udgave af Nature Physics.

Ophav: En dansk forskningsgruppe under ledelse af den nyudnævnte professor på Aarhus Universitet, Michael Drewsen fra Ionfældegruppen på Institut for Fysik og Astronomi.

»Med de nye resultater viser vi, at det vil være muligt at gemme en foton, altså et lyskvant, 10.000 gange længere, end den tid det tager at lagre den. Det betyder, at vi på sigt vil kunne lagre den kvanteinformation, som en foton kan bære,« forklarer Michael Drewsen.

Forskerne har hermed skabt basis for en lagerenhed, svarende til den traditionelle computers RAM eller arbejdshukommelse.

En sådan lagerenhed er en grundsten til fremtidens supercomputere, kvantecomputeren og vil kunne anvendes i forbindelse med oprettelsen af et kvante-internet.

Særlige krystaller

Michael Drewsens gruppe har de seneste år forsket i de særlige Coulomb-krystaller, som opstår, når man indfanger elektrisk ladede partikler og køler dem ned til tæt på det absolutte nulpunkt på minus 273 grader.

»Hermed kommer partiklerne til at stå næsten helt stille, og vi kan dermed undersøge, hvordan atomer opfører sig på det mest fundamentale kvantefysiske niveau, hvilket igen kan hjælpe os til at forstå den komplicerede kvanteverden lidt bedre,« forklarer Michael Drewsen.

Med det nye krystal bestående af kalcium-ioner har forskerne skabt et stof, hvor atomerne sidder 100.000 gange længere fra hinanden end i normale krystaller. Det gør, at krystallet har en massefylde på bare 1 nanogram pr. kubikmeter. Til sammenligning har vand en massefylde på 1000 kg pr. kubikmeter.

Forsiden af Nature Physics juli 2009 med et lettere manipuleret billede af en Coulomb-krystal placeret i en optisk resonator bestående af to spejle. Billedet er taget i Ionfældelaboratoriet i Århus. (Foto: QUANTOP)

»Selvom atomerne sidder i samme krystal, sidder de i praksis så langt fra hinanden, at deres elektroner ikke påvirker hinanden synderligt. De er således på én gang et fast stof og en samling af frie partikler,« forklarer Michael Drewsen.

RAM for fremtiden

Ud over de rent grundvidenskabelige aspekter af de ret usædvanlige krystaller, vil Coulomb-krystallerne være nærmest et ideelt medium for lagring af den information, som lyskvanterne kan gemme på.

»Atomerne i vores krystaller er af så store afstande, at de ikke påvirker tilstanden af de andre atomers elektroner. Det gør, at de kan lagre kvanteinformation, stort set uden at de påvirkes af omgivelserne. Det er det, der gør Coulomb-krystaller ideelle til brug i kvantecomputere,« uddyber Michael Drewsen.

Naturtro billede af en Coulomb-krystal (blåtlysende objekt i midten af billedet), placeret i en optisk resonator bestående af to spejle (blåtlysende objekter til venstre og højre for Coulomb-krystallen). De guldbelagte metalstykker benyttes til at holde Coulomb-krystallen fast mellem spejlene ved hjælp af påtrykte elektriske felter. Afstanden mellem spejlene er 11 mm. (Foto: QUANTOP)

Mens nutidens computere fungerer ved at lagre og behandle information som et-taller og nuller i forskellige kombinationer, benytter kvantecomputeren sig derimod af forskellige kvantetilstande svarende til en blanding af nul og et.

»Kvantecomputeren kan på den måde håndtere større mængder af information hurtigere end normalt, men for at en kvantecomputer skal kunne fungere, skal der som i en traditionel computer udvikles hukommelsesenheder. Målet er derfor at skabe en stabil lagringsenhed, der kan lagre information over længere tid,« forklarer Michael Drewsen.

Kvante-telegrafen

Det er ifølge Michael Drewsen endnu for tidligt at sige, hvilken form og hvilke anvendelser en kvantecomputer vil have. Siden Richard Feynman i 1982 foreslog skabelsen af en kvantecomputer, har man arbejdet mod at konstruere af en generel kvantecomputer, men ifølge Michael Drewsen bevæger forskningen sig i disse år mod mere konkrete anvendelser.

»Drømmen om den generelle kvantecomputer, der kan afløse vores nuværende computere er ikke skrinlagt, men mange har i stedet valgt at sigte mod at udvikle en kvantecomputer til mere specifikke formål, som vi ved, traditionelle computere ikke kan anvendes til,« fortæller Michael Drewsen.

Mange myndigheder, inklusive det amerikanske militær, støtter universiteter og forskningscentre i at udvikle kvantecomputere, der f.eks. kan benyttes til at 'knække' krypteringskoder, men ifølge Michael Drewsen er der en langt mere realistisk og umiddelbar anvendelse af deres nye forskningsresultater.

»Når data transporteres i lyslederkabler over lange afstande, er der opsamlingsstationer undervejs - som telegrafposter før i tiden - hvor informationen opsamles og videresendes. De nye lagringsenheder kan vise sig at kunne fungere som en prototype for disse telegrafposter i et fremtidigt kvante-internet,« slutter Michael Drewsen.