Tre vilde eksperimenter, der har banet vej for fremtidens kvanteteknologi

Kvanteteknologi bruger kvantemekanik til sikker kommunikation, følsomme sensorer og kvantecomputere, der kan lave beregninger om atomer og molekyler, som almindelige computere ikke kan klare.

Udviklingen bygger på grundsten lagt af europæiske fysikere som Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg og Erwin Schrödinger for cirka 100 år siden.

Vi behøver dog ikke at skue så langt tilbage for at mærke vingesuset: De seneste 10-15 år har fysikere gjort mange fremskridt, der bidrager til nutidens og fremtidens kvanteteknologi.

Før en ide kan blive til brugbar teknologi, skal vi demonstrere, at ideen indfanger noget virkeligt.

Derfor laver vi fysikere hele tiden nye eksperimenter, og undervejs skal vi tit udvikle endnu mere ny teknologi. Her er tre eksperimenter, der baner vej for kvanteteknologien.

1: Opfindelsen af laseren

Se på solen: Den udsender lys tilfældigt i alle retninger og med alle synlige bølgelængder. Sådan foretrækker universet at udsende lys – tilfældigt.

Omkring 1960 viste amerikanske teoretikere og ingeniører, at atomers kvantemekaniske egenskaber kan udnyttes ved at tvinge dem til at udsende lys, der ikke er tilfældigt.

Den amerikanske fysiker Theodor Mainman var den første, der lykkedes med det. Han påførte sølvspejle på hver ende af en rubinkrystalstang - se video af eksperimentet her:

Krystallen blev indstillet til at udsende rødt lys, som blev fanget mellem de to spejle.

Det fangede lys blev forstærket i rubinkrystallen af en kvantemekanisk proces (stimuleret emission) og slap ud som en klar lysstråle af det ene sølvspejl, som var en smule gennemsigtigt.

Denne ikke-tilfældige lyskilde er laseren, som udsender lys i én retning og med én bølgelængde. Laserlys kan både bruges til at sende et lyssignal utroligt langt og til at fokusere lys ned på noget meget småt.

Laseren er et mirakel af ingeniørkunst, og i dag er danske virksomheder og universiteter verdensmestre i forskellige dele af laserteknologi. Derfor har vi lynhurtigt fiberinternet og kan manipulere ét atom ad gangen i fremtidens kvantecomputere.

2: Brud på Bells Ulighed

Når jeg spiller »Majer« og kaster de to terninger, sker det af og til, at de ryger ud over bordet. Jeg må ned på gulvet og se efter begge for at kende udfaldet.

I laboratoriet kan vi derimod skabe et kvantemekanisk system bestående af to adskilte objekter i én fælles »sammenfiltret« tilstand (på engelsk: entangled).

Ved at måle på det ene objekt kan vi bestemme noget om det andet. Dette svarer til at kigge på den ene terning i Majer og dermed bestemme hvor mange øjne, den anden terning viser.

Fysikerne diskuterede i årtier, om kvantemekanikkens forklaring af sammenfiltring holdt vand, eller om der stadig var en uopdaget forklaring derude.

John Bell formulerede en matematisk ulighed om sammenfiltring, der kun kan brydes, hvis kvantemekanikkens forklaring er sand. I 1980’erne arbejdede fysikere, heriblandt nobelprisvinderen Alain Aspect, hårdt på at bryde Bells ulighed.

Forestil dig, at to fotoner er sammenfiltrede, så den ene straks bliver hvid, hvis den anden måles til at være sort, og omvendt.

Aspect sendte sådanne to sammenfiltrede fotoner i hver sin retning, og målte på dem, når de var så langt fra hinanden, at fotonerne umuligt kunne påvirke hinanden.

Alligevel målte han aldrig det, der svarer til to hvide eller to sorte fotoner samtidigt. Dette resultat svarede til, at Bells ulighed blev brudt - og dermed viste Aspect, at kvantemekanikkens forklaring var gyldig.

Sammenfiltring giver os mulighed for at gemme og sende kvantemekanisk information, der baner vej til en ny teknologi kaldet kvantekommunikation.

Det er en ubrydelig kommunikationsteknologi, som vi i fremtiden kommer til at bruge til at sende vores allervigtigste hemmeligheder.

3: Atomurets præcise målinger

Kvantefysikere forsøger normalt at afskærme og beskytte kvantemekaniske systemer, fordi de er følsomme og skrøbelige. Denne følsomhed kan også udnyttes som kvantesensorer.

Japanske forskere, heriblandt Hidetoshi Katori fra Tokyos Universitet, har for eksempel udnyttet atomers kvantemekaniske overgange til at skabe ultrapræcise atomure, der måler tiden med 18 decimaler.

To af disse ure blev i 2020 placeret i toppen og bunden af Tokyos højeste bygning, Tokyo Sky Tree.

Eksperimentet viste med uhørt præcision, at tiden går forskelligt forskellige steder i jordens tyngdefelt.

Nede på Jorden går tiden en smule langsommere end oppe i de højere luftlag – præcis som Einsteins relativitetsteori forudsiger. De japanske forskere kunne endda måle, at bygningen krymper fem centimeter om vinteren på grund af kulde.

Moderne kvanteteknologi forbinder dermed Bohrs kvantemekanik, som beskriver universets mindste detaljer, og Einsteins relativitetsteori, som beskriver universets største detaljer.

Atomure sælges allerede til universiteter og virksomheder for millionbeløb, og de kan for eksempel bruges til at undersøge undergrunden ved at måle tiden på jordoverfladen.

Dette er kun begyndelsen – snart kan kvantesensorer måle ting, vi endnu ikke kan forestille os.

Fremtidens kvanteteknologi

I 100 år har fysikere fået nye indsigter i kvantemekanikken ét eksperiment ad gangen.

Undervejs har vi skabt teknologier, der åbner døre til en fremtid med kvanteteknologi, som kan anes i horisonten. Dette har ført til store strategiske indsatser.

USA og EU har hver deres kvantestrategier med investeringer på mange milliarder dollar og euro.

Den danske regering har også en national kvantestrategi med en investering på en milliard kroner inden for en kort årrække - og investeringerne fra de private fonde er i samme størrelsesorden.

Den danske strategi fremhæver, at kvanteteknologi i fremtiden kan give os hidtil utænkelige fremskridt inden for sundhed og overvågning, samt løsninger på globale udfordringer som klima og bæredygtighed.

Derfor må vi alle være nysgerrige og lære mere om nutidens kvantemekanik, så vi kan diskutere, hvordan kvanteteknologien bedst kan bruges til gavn for alle mennesker og samfund i fremtiden!