Fysikere fra Niels Bohr Institutet har udviklet en lille membran, der kan gemme informationer fra lys som svingninger. Teknologien kan blive central i udviklingen af kvantekommunikation og kvantecomputere.
I kælderen under Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet har fysikerne en tromme, der er så lille, at den bliver anslået ved ankomsten af en enkelt lyspartikel – en foton.
Ikke alene kan membranen optage lyspartiklen, den kan også frigive den igen. Lys bliver til bevægelse, og bevægelse bliver til lys i den forsøgsopstilling, forskerne arbejder med. Den information, fotonen bærer på, bliver midlertidigt gemt i membranens svingninger.
Det er en teknologi, der kan blive uundværlig, når kvanterevolutionen for alvor ruller derudaf. For membranen kan gemme på kvantedata, og uden sådan en kvantehukommelse bliver det svært at bygge fremtidens kvanteinternet.
»Kvantehukommelse er virkelig brugbart, hvis man vil lave kvantekommunikation over lange afstande. Det er det primære anvendelsesområde i første omgang,« siger Mads Bjerregaard Kristensen, der er postdoc på Niels Bohr Institutet.
Han er førsteforfatter til den artikel om forskningsresultatet, der er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.
En kvantehukommelse, der kan modtage og derefter afsende kvantedata indkodet i lys, er rigtig god at have, hvis man vil bygge et kvantenetværk eller et kvanteinternet, om man vil.
På samme måde som data sendes igennem lyslederkabler i nutidens internet, kan kvantedata også sendes igennem lyslederkabler, indkodet i enkelte fotoner. Og ved at udnytte kvantemekanikkens love kan man bygge et netværk, som kan bruges til at sende hemmelige beskeder til hinanden.
Kvantefysikken fortæller, at det er umuligt at måle på et system uden samtidig at ændre det. Det gælder også for par af fotoner, som er bragt i en særlig kvantemekanisk tilstand, hvor de er sammenfiltrede. Det betyder, at de to fotoner skal betragtes som et samlet system, uanset hvor langt fotonerne er fra hinanden.
Når en krypteringsnøgle sendes med sammenfiltrede fotoner, vil ethvert forsøg på at aflure den blive afsløret. Aflytteren vil nemlig uundgåeligt ødelægge den særlige tilstand, der er fælles for fotonerne, og det kan opdages af modtagerne af beskeden.
Men der er grænser for, hvor langt man kan sende fotoner gennem lysledere, og det er her, kvantehukommelsen kommer i spil. Den kan nemlig fungere som en slags forstærker for lyssignalet og sørge for at sende det videre i topform.
På den måde kan kvanteforbindelserne via lyslederkabler være lige så lange, som der måtte være behov for.
Udover sikker kommunikation kan et kvantenetværk bruges til at forbinde kvantecomputere, så flere mindre kvantecomputere kan arbejde sammen som én stor superkvantecomputer.
Det kræver udveksling af kvantedata mellem de enkelte kvantecomputere i netværket, og det kræver en form for kvantehukommelse at sikre den rette timing for datastrømmen.
Måske kan kvantehukommelse som den, Niels Bohr Institutet udvikler, også bruges som datalager i enkelte kvantecomputere, fortæller Mads Bjerregaard Kristensen:
»På længere sigt, når der begynder at være kvantecomputere af en vis størrelse, kan vores mekaniske system måske også bruges til at opbevare kvantedata midlertidigt i sådan nogle computere. På samme måde som en almindelig computer har brug for arbejdshukommelse – RAM – vil store kvantecomputere have brug for hukommelse.«
Den såkaldte optomekaniske hukommelse fungerer kun, fordi det er muligt at forvandle lys til bevægelse og omvendt.
»Lys har impuls, også kaldet strålingstryk. Derfor kan lyset skubbe til membranen og anslå trommen, der står og svinger, indtil du skal bruge informationen igen. Og med vores lasersystem kan vi dæmpe svingningen igen på en kontrolleret måde, så den mekaniske energi bliver til strålingsenergi i form af en foton som den oprindelige,« siger Mads Bjerregaard Kristensen og fortsætter:
»Vi har studeret effektiviteten af vores nye system med klassisk information, og vi har tidligere demonstreret optomekaniske systemer, der opfører sig kvantemekanisk. Næste trin er at kombinere kvantemekanikken med membranen som kvantehukommelse.«
Kvantetrommen er speciel, fordi den har høj effektivitet – den er god til at omdanne lys til vibrationer og omvendt – og fordi den kan holde forholdsvis længe på data.
Den kan således holde på data i 23 millisekunder, og selvom det måske ikke lyder af meget, er det faktisk rekord for optomekanisk hukommelse.
Men de danske fysikere er ikke de eneste, der forsker i kvantehukommelse. Rundt omkring på kloden er adskillige forskerhold i fuld gang med at udforske forskellige muligheder for at lagre kvantedata.
For eksempel leder professor Zong-Quan Zhou fra University of Science and Technology of China en kinesisk forskningsgruppe, der eksperimenterer med kvantehukommelse baseret på krystaller. I 2021 demonstrerede gruppen, hvordan levetiden for kvantebits kan runde en time i særlige krystaller tilført grundstoffet europium, et af de såkaldte sjældne jordarters metaller (REE).
Kvantefysikkens love betyder, at så længe man ikke foretager en måling, kan en partikel tilsyneladende være to steder eller i to forskellige tilstande (eksempelvis have to forskellige energiniveauer) samtidig.
Desuden kan flere partikler bringes i en samlet, kvantemekanisk tilstand – de kan være sammenfiltrede. Så vil en måling på én af partiklerne øjeblikkeligt påvirke alle partiklernes fælles tilstand, uanset afstanden mellem dem – hvad Einstein kaldte en spøgelsesagtig fjernvirkning.
I en kvantecomputer udnytter man, at alle de fundamentale informationsenheder – bits – både kan være 0 og 1 på samme tid, og med sammenfiltrede kvantebits kan man regne på mange tal på én gang. Det betyder, at en kvantecomputer kan løse visse former for matematiske problemer ekstremt hurtigt – og meget hurtigere end almindelige computere.
Kvantecomputere findes allerede, men endnu er de for små til at være brugbare. Fremtidens store kvantecomputere kan finde løsninger på problemer, som vi ikke kommer i nærheden af at løse i dag.
De kan ikke bruges til alting og vil aldrig afløse almindelige computere, men de kan være fuldstændig suveræne, når der er ekstremt mange mulige løsninger til et problem, men hvor kun én af løsningerne er rigtig eller bedre end de andre.
Hvor almindelige computere må afprøve de mulige løsninger på hårde, matematiske problemer én efter én, kan en kvantecomputer afsøge mange løsningsmuligheder samtidig. Derfor vil en kvantecomputer for eksempel være ekstrem hurtig til at slå op i databaser, og den vil kunne bryde mange af de koder, der i dag bruges til at holde beskeder hemmelige på internettet.
Desuden vil fremtidens kvantecomputere kunne simulere molekyler og krystaller, og det kan hjælpe forskerne med at udvikle bedre batterier, ny medicin, bedre metoder til at omdanne CO2 til brændstoffer og meget mere.
Det er ikke ensbetydende med, at den kinesiske teknologi er bedre end den danske, for kvantetrommen er nem at få til at spille sammen med lys med de bølgelængder, der sendes igennem lyslederkabler i telekommunikationssystemet.
Det anerkender Zong-Quan Zhou da også:
»Dette arbejde er en interessant demonstration af langlivet hukommelse til telekommunikationslys med en relativt høj intern effektivitet ved hjælp af en optomekanisk enhed. Det viser potentialet for kvantelagring af lys,« skriver han til Videnskab.dk.
Han uddyber dog, at der skal mere forskning til. Specielt skal forskerne fra Københavns Universitet vise, at kvantetrommen rent faktisk kan gemme på kvanteinformation og ikke kun informationen gemt i almindeligt lys.
Kvantetilstande er skrøbelige og kan hurtigt gå tabt, og det bliver nok nødvendigt at sætte temperaturen af kvantetrommen ned til noget i retning af minus 263 grader, 10 grader over det absolutte nulpunkt, fpr at undgå støj, der ødelægger kvanteinformationen.
Her forventer forskerne, at de kan opnå en levetiden for kvanteinformationen på cirka 0,2 millisekunder, hvilket stadig vil være brugbart. Men båndbredden – hvor hurtigt enheden kan tage imod fotoner – skal også sættes op.
Det er da præcis det, Mads Bjerregaard Kristensen og andre fysikere fra Niels Bohr Institutets Center for Hybrid Quantum Networks arbejder på.
Hvornår kvantehukommelsen så bliver taget i brug i kvantenetværk, er umuligt at spå om, men forskningen tager hele tiden nye skridt mod målet: En fremtid med kvantecomputere forbundet via et verdensomspændende kvanteinternet.
