Fysikere skyder genvej til kvantecomputeren

Med kun et skud tilbage i bøssen gælder det om at indstille sigtekornet helt præcist. Denne cowboy-lærdom ligger bag en ny opdagelse foretaget af teoretiske fysikere på Danmarks Tekniske Universitet.

De har fundet ud af, hvordan man kan affyre en ultra-tynd lysstråle – faktisk bare en enkel foton – og ramme et bestemt atom, så atomet opnår en højere energitilstand. På den måde kan man lagre informationer i atomer og bruge dem i fremtidens superhurtige kvantecomputere.

Det er ellers temmelig svært at ramme plet, når målet er så småt, men fysikerne har udviklet en mikroskopisk finte, der kan gøre processen meget nemmere.

Som at skyde med en lang riffel

For at illustrere fremgangsmåden med en håndgribelig analogi begynder lektor Martijn Wubs at tegne atomer og skydevåben på et stykke papir.

»Lad os sige, at man gerne vil skyde til måls efter et atom langt borte, men at man traditionelt har haft et haglgevær, hvor haglene spreder sig for meget og dermed for det meste misser. Hvis man har mange hagl, vil man ramme, men i kvanteinformation vil vi kun bruge ét hagl, fordi det er det enkelte hagl, der koder informationen,« siger Martijn Wubs.

»I stedet har vi designet dette gevær - en riffel med et meget, meget langt løb, og her har vi atomet,« fortsætter han og tegner et atom lige foran det lange geværløbs ende. »Vi har kun én kugle, så vi er nødt til at snyde lidt og guide den hele vejen til atomet,« forklarer han.

Det er post.doc. Yuntian Chen, der har udtænkt den nye metode sammen med Martijn Wubs og professor Jesper Mørk på DTU Fotonik i samarbejde med Femius Koenderink fra FOM Institute of Atomic and Molecular Physics i Holland.

Metoden er beskrevet i mere tekniske termer i oktober-udgaven af tidsskriftet New Journal of Physics, hvor fysikernes artikel er fremhævet som ’Editors Choice’.

Fremtidens computer regner med atomer

Men hvorfor er det så vigtigt at kunne skyde med fotoner og ramme enkelte atomer? Jo, det skyldes, at den proces kan blive nøglen til, at fremtidens supercomputer – kvantecomputeren – for alvor kan slå igennem.

Selvom vore dages silicium-baserede computere efterhånden er blevet meget kraftige, så er der nogle beregninger, som de ganske enkelt ikke er i stand til at løse. Desuden forventes det, at computerne om få år ikke kan blive så meget bedre med den nuværende teknologi. Forskere arbejder derfor på højtryk på at bygge afløsere, og kvantecomputeren er det ultimative mål.

Kvantecomputeren kan nemlig blive langt hurtigere til visse opgaver og fx bryde ekstremt komplekse koder, som det ville tage en klassisk computer en uoverskuelig årrække at knække.

Den store forskel skyldes, at kvantecomputeren fungerer fundamentalt anderledes end den klassiske computer, der opererer med bits – en strøm af 1-taller og nuller, som hver især er et stykke information.

Kvantecomputeren bruger derimod quantum bits, forkortet qubits, bestående af enkelte atomer, der er så små, at kvantemekanikkens forunderlige love hersker. Da kvantemekanikken siger, at noget så småt som et atom kan være to steder på én gang, betyder det i kvantecomputeren, at et atom kan repræsentere et 1-tal, et nul eller en blanding af begge tilstande på samme tid.

Den egenskab gør, at kvantecomputeren kan lave mange udregninger samtidig, og derfor kan den blive langt hurtigere end den klassiske computer, der kun kan lave en enkelt udregning ad gangen.

Fotonen giver atomet et skud energi

For at kunne bruge atomer som qubits, skal man dog kunne styre, om de skal optræde som 1-taller eller nuller, og det er der, fysikernes foton-skyderi kommer ind i billedet.

Ved at skyde lys ind i et atom, kan man nemlig excitere atomet. Det er et udtryk for, at fotonen skubber atomets elektroner en smule væk fra dets kerne, så atomet kortvarigt får en højere energitilstand – og det kan udnyttes i kvantecomputeren. Et atom i sin grundtilstand kan således have værdien 0, mens et exciteret atom, der altså har været i kontakt med en foton, kan have værdien 1.

Der er dog et problem. Det er temmelig svært at ramme et bestemt atom, når man skyder med en lysstråle så svag som en enkel foton, og det er netop det, som forskerne på DTU mener at have fundet en columbusægsløsning på.

»Hvis man bare ville excitere atomet, kunne man bare skyde på det med en laser – og boom – så ville det med meget stor sandsynlighed blive exciteret. Det er en standardproces. Men at excitere det med en enkel foton – det er den nye udfordring,« siger Martijn Wubs.

Sølvtråd hjælper fotonen på rette vej

Andre forskere har tidligere foreslået, at man kan tage en lang, ekstremt tynd sølvtråd, som fotonen ligesom vand i en å kan løbe på overfladen af, og derefter placere atomet tæt på sølvtråden.

Ved at splitte lyset op og sende det ind mod atomet fra to sider på samme tid, så de to halvdele mødes præcis ved atomet, vil lysbølgerne ramme hinanden og skvulpe op lige omkring atomet, og derfor har fotonen en stor chance for at ramme atomet og få det i exciteret tilstand.

Det er dog en meget kompliceret proces, og det er besværligt at synkronisere de to dele af lyset. Derfor har fysikerne på DTU arbejdet på at få gjort metoden langt mere simpel, så man kan nøjes med at skyde med en enkel, samlet foton fra ét sted.

Atomet placeres i lysbølgens top

Løsningen, som DTU-fysikerne er kommet frem til, er at skære sølvtråden over, så enden fungerer som et spejl.

»Vi sender derefter en foton ind fra den ene side. Mens den bagerste del af lysbølgen stadig er på vej frem langs sølvtråden, er den første del allerede nået ned for enden og bliver reflekteret tilbage. Derved vil vi have lysbølger, der farer henover sølvtråden fra både den ene og den anden side på samme tid,« forklarer Martijn Wubs.

»Når de modsatrettede lysbølger støder sammen, skaber de nogle stående bølger. Vi lægger atomet på det punkt på sølvtråden, hvor lyset er kraftigst, for der er bølgerne højest, og så er der størst chance for at få koblet fotonen med atomet,« fortsætter han.

»Vi siger ikke, at vi har 100 procent sandsynlighed for at excitere atomet. Men vi simplificerer problemet ret meget, og det kan måske få nogen til at lave eksperimentet og realisere vores forslag,« siger Martijn Wubs.

Ekspert: Lovende metode

I artiklen sender fysikerne en særlig tak til deres kollega Anders Søndberg Sørensen, der er lektor ved Niels Bohr Instituttet ved Københavns Universitet. Han forsker i kvanteoptik og har tidligere beskrevet et lignende løsningsforslag. Han fortæller, at det er afgørende for hans forskningsfelt, at man finder en god måde at overføre information fra lys til atomer på.

»For at få kvantekommunikation til at virke over lange afstande er det fuldstændig essentielt, at man laver nogle mellemstationer, hvor man kan udveksle information mellem lys og atomer. Derfor er det meget vigtigt, at man kan styre, hvordan et atom absorberer lyset,« siger Anders Søndberg Sørensen.

Han forklarer, at der er flere måder at gøre det på.

»Her på Niels Bohr Instituttet er Eugene Polziks gruppe verdensmestre i at tage en stor sky atomer og skyde en foton ind i den og gemme den – ikke i et atom, men et eller andet sted i skyen. Det, de studerer på DTU, er at gemme den i ét atom,« siger Anders Søndberg Sørensen.

»Det, vi laver her, er smart, fordi det er nemt. Men hvis man kan gemme den i ét atom, så er det lidt mere lovende. Til de anvendelser, der kommer bagefter, virker det bedre, hvis man har en god måde at gøre det på i ét atom, fordi det er lettere at behandle informationen, når den er gemt i ét atom frem for i den store sky,« siger han.

Nu skal det prøves af

Fysikerne på DTU, der har fundet på den nye metode, er teoretiske fysikere, og deres forslag er ikke blevet afprøvet i praksis, men de appellerer til at mere eksperimentelle fysikere tager deres idé op og tester fremgangsmåden i et laboratorium.

Imens forsker de selv videre i andre konfigurationer, så de kan hæve sandsynligheden for at excitere et atom fra de 72,4 procent, som de regner med er det maksimale, deres metode kan opnå lige nu.