Forestil dig en nanopartikel, der er tusind gange mindre end tykkelsen på et hårstrå.

I partiklens indre er der et elektron, som konstant hopper mellem to baner i en bølgebevægelse. Præcis som når elektroner skifter mellem forskellige energitilstande i atomer.

Bevægelsen medfører, at der udsendes fotoner, altså lys.

Forskere fra Niels Bohr Institutet har indkapslet sådan en nanopartikel i en lidt større mikrochip, som er cirka 10 gange mindre end tykkelsen på et hårstrå. 

Med mikrochippen kan forskerne med hidtil uset præcision kontrollere de fotoner, der bliver sendt ud fra nanopartiklen.

»Forskerne har lavet et kunstigt atom, som består af en elektron, der bevæger sig rundt i en nanostruktur,« forklarer Klaus Mølmer, der er professor i kvantefysik på Aarhus Universitet.  

»De viser, at de kan styre præcist, hvornår det kunstige atom udsender fotoner, og at de kan dirigere dem, præcis derhen hvor de skal bruge dem,« uddyber professoren. 

Klaus Mølmer har ikke selv har været involveret i eksperimenterne, men han har læst den videnskabelige artikel, der netop er publiceret i Science Advances.

Supercomputere kan ikke følge med

Opfindelsen fra Niels Bohr Institutet kan blive en afgørende komponent i fremtidens kvantecomputere. Det er computere med en gigantisk ydeevne, der er mange gange større end de bedste supercomputere, der findes i dag.

Nogle af de kvantecomputere, der er under udvikling, bruger lyspartikler som kvantebits, der lagrer information. 

»Vi demonstrerer, at vi med vores metode kan kode så meget information i kvantebits, at de bedste supercomputere ikke længere kan følge med,« siger Peter Lodahl, der er professor på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet og leder af grundforskningscentret Hy-Q.

»Det er et gennembrud for den type teknologi,« tilføjer han.

Peter Lodahls fotoniske mikrochip kan være med til at gøre kvantecomputere så overlegne, at de kan løse hidtil uløselige opgaver, for eksempel forudsige, hvordan proteiner i kroppen folder sig, eller hvilke materialer der vil fungere bedst for eksempel i solceller. Forklaring følger. 

Lysfotoner kan bruges som kvantebit 

For at forstå, hvordan en fotonisk mikrochip, der kan kontrollere lyspartikler, kan blive en nøglekomponent i en kvantecomputer, skal vi lige have et par ting på plads.

Måske har du hørt, at nogle kvantecomputere fungerer ved at udnytte kvantemekanik, hvor elektroner kan være to steder på en gang i en såkaldt superposition. 

I almindelige computere lagres alt i tal - såkaldte bits - der enten kan være 0 eller 1. Kvantecomputerne kan få ekstra kapacitet ved at bruge elektroner, der på en måde kan være både 0 og 1 på samme tid, til at lagre information. 

Googles kvantecomputer, som i 2019 udmærkede sig ved at løse et hidtil uløseligt regnestykke, udnytter netop elektroners evne til at være i superposition. 

Fotoner - altså lyspartikler - kan også befinde sig i superposition og kan derfor også bruges til at lave kvantebits i kvantecomputere.

»Fotonerne skal være helt ens og være udsendt med præcis samme interval,« forklarer Klaus Mølmer. 

Mikrochippen kontrollerer fotonerne

Det er her, opfindelsen fra Niels Bohr Institutet kommer ind i billedet. 

Peter Lodahl og hans hold har vist, at de med deres mikrochip kan kontrollere de fotoner, der sendes ud fra nanopartiklen.

»Under udsendelsen af fotoner vil der normalt være forstyrrelser, som påvirker fotonkvaliteten. Det kan være elektrisk støj i materialet, termiske vibrationer eller kobling til urenheder. Alt det har vi undertrykt til et niveau, så vi har fået ekstremt identiske fotoner. Vores kvantebits er derfor af meget høj kvalitet,« forklarer Peter Lodahl.

Med den fotoniske mikrochip kan forskerne generere helt identiske lyspartikler, som bliver udsendt med et præcist interval.

»Det kræver ekstremt meget kontrol og præcise eksperimenter, for kvantebits er meget følsomme overfor støj, som betyder at deres superpositionstilstand ødelægges. I sidste ende er det det den helt store udfordring for kvanteteknologien, for når man skalerer kvantesystemerne op, bliver de mere og mere følsomme overfor forstyrrelser,« tilføjer han.

Fotoner kommer som perler på en snor

I eksperimenter har forskerne sendt en laserpuls ind på nanopartiklen, som de med stor præcision har fået til at sende en foton ud ad gangen. 

»De kommer som perler på en snor med en kvantebit hver. Vi har vist, at vi kan sende 115 fotoner ud i træk, der allesammen er gode. De er så uforstyrrede, at de kan bruges til at kode i meget høj kvalitet,« siger Peter Lodahl. 

Nanopartiklen i chippen behøver kun at genere 54 fotoner af tilstrækkelig høj kvalitet for at slå verdens største supercomputer.

En hidtil uløselig opgave kan løses

Peter Lodahl og hans hold laver grundforskning og har ikke ressourcer til selv at bygge en kvantesimulator, så de kan ikke i praksis demonstrere, hvor godt deres metode virker. 

Men de har lavet beregninger, som viser, at deres chip, der altså kan udsende 115 ens fotoner i træk, kan generere kvantebits af så høj kvalitet, at den potentielt kan give en kvantecomputer kapacitet til at løse et fysisk problem kaldet Boson-Sampling. 

Boson-Sampling-problemet går ud på at regne ud, hvordan fotoner, der bliver udsendt fra atomer, bevæger sig. 

»Det er rasende svært at regne ud for en klassisk computer, fordi fotonerne kan være flere steder på en gang. Her regner forskerne sig frem til, at en kvantecomputer, der bruger deres fotoniske chip som lyskilde, vil kunne regne det ud på en dags tid,« siger Klaus Mølmer.     

»Der er andre forskere i verden, som arbejder med samme metode, men ingen har, så vidt jeg ved, lavet en foton-kilde, der er så præcis, som den Peter har lavet. Den er ekstremt lovende på mange måder,« tilføjer professoren, der fremhæver Peter Lodahl som en af verdens førende forskere på feltet.  

Kinesisk kvantecomputer bruger fotoner  

For nyligt kom det frem, at kinesiske forskere har bygget en kvantecomputer, der bruger fotoner som kvantebits. 

Den kinesiske kvantecomputer har dog den svaghed, at fotonerne genereres spontant, ikke på kontrollerede tidspunkter som i Niels Bohr Institutets eksperimenter ifølge Peter Lodahl. 

»De har ikke kontrol over dem, ligesom vi har. Vores kilde til kvantebits er deterministisk i den forstand, at når jeg trykker på en knap, så kommer der en foton ud. Det har kineserne ikke demonstreret endnu,« siger Peter Lodahl. 

Selv om professoren ikke selv har mulighed for at bygge en kvantecomputer, tror han på, at hans opfindelse kan berige feltet. 

»Vi kan udvikle forståelsen og fysikken og demonstrere, hvad der er muligt. Selve opskaleringen og udviklingen af en kvantecomputer er en meget større satsning. Vi håber, at kommercielle partnere kunne være interesserede i at tage skridtet videre og bruge vores forskning,« siger Peter Lodahl. 

Kvantecomputere, for eksempel den kinesiske, der netop er blevet fremvist, og Googles, som sidste år løste et hidtil uløseligt matematisk problem, er stadig på et udviklingsstadie. 

De eksperimentielle kvantecomputere kan kun løse et enkelt problem. De kan endnu ikke fungere som universelle computere, der kan klare hvilken som helst opgave, de bliver sat til.