Microchip skal måle partikler med uhørt høj præcision

Inden for videnskabelige grene som astronomi, kvanteoptik, seismografi og atomfysik benytter man sig af et såkaldt interferometer, når der skal foretages meget præcise målinger af ekstremt små enheder.

Opsætningen er sådan set ret enkel og er baseret på det faktum, at en lysbølge ændrer egenskaber, alt efter hvad den møder på sin vej:

En laserstråle sendes ind i interferometeret. Den splittes i to af et spejl, og den ene stråle sendes af sted mod det, som man gerne vil måle.

Den lysstråle, der sendes tilbage af emnet, vil have en anderledes fase, end da den blev sendt af sted.

Den anden lysstråle sendes gennem interferometeret uden at møde modstand og vil blive ved med at være den samme. Når lysstrålerne derefter kombineres igen, forklarer Ulrik Lund Andersen, vil man se en vekselvirkning mellem de to bølger.

»Hvis de to bølger svinger i takt, så opstår der konstruktiv interferens. Men hvis man ændrer fasen af den ene – som følge af interaktionen med det, man vil måle – så ændrer man interferensen. Denne ændring kan måles med en detektor,« siger Ulrik Lund Andersen.

Det er altså ved at måle på den påvirkning lysstrålen, der har ramt emnet og den, der er rendt uhindret gennem systemet, der gør, at det er muligt at måle temperaturen af et materiale, koncentrationen af et molekyle, eller udsvinget af en mikroskopisk pickup.

Allerede her er der tale om hyperpræcise målinger af meget små emner, og det er blandt andet ad denne vej, at det er blevet muligt for forskerne at måle størrelser i omegnen af en attometer, som er tusind gange mindre end diameteren af en proton. Til langt de fleste målinger er det rigeligt. Men for en forsker stopper jagten på præcision som bekendt aldrig.

Vakuumfluktuationer forstyrrer målinger

»For at maksimere følsomheden i sådanne målinger starter man med at købe den bedste laser og den bedste optik, man kan finde på markedet,« forklarer Ulrik Lund Andersen og fortsætter:

»Derefter bygger man de mest kompakte og stabile systemer i et forsøg på at fjerne alle støjkilder, som vil forurene målingen. Men der vil alligevel altid være en mikroskopisk lille portion støj tilbage.«

Det er den støj, som Ulrik Lund Andersen nu har sat sig for at minimere.

For selvom lysbølgerne i måleudstyret rejser i et vakuum, og selvom al teknikken er den bedst mulige, så er der stadigvæk støj på linjen, som gør, at nogle resultater ikke kan ses. Og det er netop vakuummet, som leverer den støj.

»Det er kvantemekanisk støj,« forklarer Ulrik Lund Andersen.

»Man kalder det vakuumstøj, og den kan kun forklares ved hjælp af kvantemekanikken. Hvis du går ind i et vakuumrum, hvor der absolut intet er, hvor alt lyset er slukket, så er der stadigvæk støj. Og det er denne støj, som begrænser følsomheden af vores interferometriske målinger. Meget små signalændringer i interferometeret vil drukne i denne støj og derfor ikke kunne måles,« siger han.

Derfor starter han nu på at eliminere vakuumstøjen for at nærme sig den ultimative grænse for, hvor præcise målinger vi kan foretage – også kaldet Heisenberg-grænsen. Og det, forklarer han, skal gøres ved hjælp af kvantelys.

Kvantelys fjerner støjen

Kvantelys er ikke lys, som vi kender det. Almindeligt lys består af masser af partikler, fotoner, hvis egenskaber vi ikke kan forudsige. Det er med andre ord et sandt kvantemekanisk rod. Uforudsigeligt og støjende. Men man kan rent faktisk påvirke de enkelte fotoner i lyset og derved ændre dets egenskaber.

I øjeblikket fylder opstillingen i laboratoriet det, der svarer til et bordtennisbord. Og det skal vi så have lagt ned på en chip.

Ulrik Lund Andersen.

Ved at sende lys gennem et silicium-krystal bliver hvert enkelt foton i lyset til to, som har anderledes egenskaber. Disse to partikler ligner hinanden, og ved at sende lyset gennem krystallet tusindvis af gange kan man forstærke denne effekt. Man ender med et lys, hvor rodet er erstattet af en vis grad af orden. Man kan så at sige ’presse’ lyset. Det er ikke så ligetil at begribe, men det er sådan, det er.

»Kernen i projektet er at producere kvantelyset på en smart måde,« forklarer Ulrik Lund Andersen.

»Den opstilling, vi bruger i dag til at fremstille kvantelys, fylder virkelig et ondt år. Det er ikke særlig praktisk, og det er vanskeligt at integrere i applikationer. Idéen er derfor at få det hele ned på en chip, hvor vi sender lyset ind i en ringstruktur og lader det vekselvirke med silicium-materialet mange gange. Når lyset har kørt rundt længe nok, bliver det koblet ud igen og sendt ind i interferometeret.«

Jagten på Heisenberg-grænsen

Ved at sende kvantelyset ind i interferometeret opnår man en reduktion af vakuumstøjen, og med hvad der kan lyde som et snuptag bliver målingerne i interferometeret op til tusind gange mere præcise. Udfordringen for Ulrik Lund Andersen er nu at presse lyset så meget som muligt, for derved kan han nærme sig Heisenberg-grænsen, hvor de eneste forstyrrelser, der er tilbage, kommer fra lyset selv. Det er nemlig ikke muligt nogensinde at presse lyset så meget, at man fjerner al støjen.

Når det så er gjort, bliver udfordringen at presse udstyret sammen, så den enhed, der skal producere kvantelyset, ikke er større end 20 mikrometer. På den måde kan man presse både kvantelysgenerator og interferometer ned på en mikrochip, som ikke fylder mere end en gange en millimeter.

»I øjeblikket fylder opstillingen i laboratoriet det, der svarer til et bordtennisbord. Og det skal vi så have lagt ned på en chip. Det betyder, at hele systemet bliver meget mere robust og mere praktisk. Man kan integrere det i andre systemer, og det er skalerbart,« siger Ulrik Lund Andersen.

Ud over at det på denne måde bliver nemmere at foretage særdeles præcise målinger, vil den lille størrelse også pludselig øge omfanget af anvendelsesmuligheder. For, som Ulrik Lund Andersen forklarer:

»Man kan også bruge kvantelysgeneratorer og interferomteret i andre applikationer som for eksempel i fremtidens kvantecomputere og kvantekommunikationssystemer.«

Her vil man så ikke bruge kvantelyset til at øge præcisionen i målinger, men benytte sig af kvantelysets støjreducerende egenskaber til at undgå forurening af informationer i kommunikationssystemer.