Potente kvantecomputere, der kan løse nogle af verdens største matematiske problemstillinger med et snuptag ved at jonglere med lys og atomer, har længe rumsteret rundt i forskernes fantasi.

Nu har teoretiske fysikere ved DTU Fotonik gjort en opdagelse, der er et vigtigt skridt på vejen til at gøre stor-skala kvantecomputere til virkelighed.

En kvantecomputer bruger atomer som datalager og kvanter af lys, såkaldte fotoner, til at flytte informationer rundt med.

Jo flere lysstråler, den kan håndtere, des stærkere bliver den.

Forskerne fra DTU Fotonik har nu gjort en opdagelse, som gør det muligt at udvikle en kvantecomputer, der kan styre et stort antal lysstråler og dermed booste dens regnekapacitet.

Finten er at sende lyset igennem et uordnet medie, der består af små enheder, som ligger hulter til bulter mellem hinanden og spreder indkommende lysstråler i alle retninger. Sådan et medie kan i princippet være alt muligt, men en måde at visualisere det på er ved at tænke på en bunke knust glas eller et akvarium fyldt med glaskugler.

»Vi har vist, at man med sådan et uordnet medie kan styre lige så mange lysstråler, som man vil. Det åbner for kvantecomputere af langt større kapacitet,« siger ph.d.-studerende Johan Raunkjær Ott fra DTU Fotonik, der har gennemført studiet sammen med de to lektorer Niels Asger Mortensen og Peter Lodahl.

Kvantemekanik hersker i atomernes verden

Kvantecomputere fungerer i atomernes lilleput-verden, hvor den klassiske fysik bryder sammen og hvor kvantemekanikken har magten.

Her gælder love, som udfordrer vores logiske sans, men som atomer og elementarpartikler med største selvfølge adlyder.

Kvantemekanikken beskriver lys som partikler, eller små energipakker, der suser af sted i forskellige retninger og som under sammenstød med f.eks. et atom kan aflevere en portion energi i form af et kvant. Det er netop den egenskab ved lyset, som en kvantecomputer udnytter, fordi den kan bruge fotoner til at overføre data med.

Ståhejen omkring kvantecomputere skyldes, at de kan opnå en meget større regnekapacitet end en almindelig computer. Mens nutidens computere kan lave én beregning ad gangen kan en kvantecomputer i princippet gennemføre milliarder af beregninger samtidig.

Antallet af lysstråler er afgørende

I de computere, vi bruger i vores hverdag, lagres informationer som bits, der kan antage en af de to værdier 0 eller 1. I en kvantecomputer taler man om quantum bits, forkortet qubits.

En qubit vil også have to mulige værdier, som kan kaldes 0 og 1, men hvor bits nødvendigvis må have den ene eller den anden værdi, kan qubits desuden være i en blanding af de to tilstande og dermed antage alle værdier imellem.

Normalt bruger man en fotonisk krystal til at lede lys fra ét sted til et andet i en kvantecomputer. En fotonisk krystal er en plade med en masse huller i, der følger et periodisk mønster. Fysikerne fra DTU har fundet ud af, at man kan styre flere lysstråler ved at sende dem gennem en fotonisk krystal, hvor mønstret er forstyrret lidt (røde cirkler). Det spreder i første omgang lyset (gule linjer) men skaber i sidste ende mere orden. (Foto:DTU)

Jo flere lysstråler kvantecomputeren er i stand til at styre, des flere qubits kan den håndtere.

De kvantecomputere, som det hidtil er lykkedes at skabe, magter at håndtere to lysstråler, hvilket er latterligt lidt, og den store udfordring har derfor været at finde en måde, hvorpå man kan øge antallet af lysstråler, så kvantecomputeren får en regnekapacitet, der reelt kan bruges til noget.

Spredning tæmmer lys

Det var netop det, som det lykkedes de tre forskere at finde igennem et teoretisk studium, hvor de undersøgte hvilke kvantemekaniske fænomener, der opstår, når man har sendt et bundt kvantiserede lysstråler ind gennem et uordnet medie.

Umiddelbart skulle man tro, at jo mere uordnet noget var, jo mere tilfældigt ville det, der kommer ud på den anden side være.

»Men det viste sig at være lige omvendt. Det, at lyset bliver spredt mange gange betyder altså højst overraskende, at det bliver mere forudsigeligt hvilke udgangsretninger, lyset vil tage,« siger Johan Raunkjær Ott.

Forklaringen er, at lyspartiklerne, når det passerer gennem det uordnede medie, blander sig med hinanden, skaber et interferensmønster, og på den måde bliver koblet til hinanden. Ved man, hvor den ene lysstråle er, sladrer det om hvor man med stor sandsynlighed kan finde den anden.

Ødelagt teknologi virker bedre

Det er sjovt at regne og kunne forudsige ting, som ingen har set før og tænke nye tanker...

Et uordnet medie kan altså bruges til at styre lys med i en kvantecomputer, men at bruge et akvarium til at gøre det med er nu nok ikke den bedste løsning.

Forskerne foreslår i stedet, at man tager udgangspunkt i de teknologier, som de eksisterende kvantecomputere allerede bruger til at guide lys med, nemlig det, man kalder fotoniske krystaller.

En fotonisk krystal er en plade med en masse huller i, der sidder i et periodisk mønster. Hullerne spreder lys, bare ikke på den rigtige måde. Men man kan opnå den ønskede effekt ved at flytte lidt på hullerne, så deres indbyrdes placering bliver mere tilfældig, fortæller han og slutter:

»Sådan et lille indgreb vil formentlig være nok til, at man kan håndtere mange lysstråler på samme tid og på den måde gøre kvantecomputerne langt hurtigere end i dag,« slutter Johan Raunkjær Ott.