Stort dansk skridt på vejen mod totalsikret internet: »Vigtig milepæl«
Danske forskere kan styre én enkelt lyspartikel ad gangen – og er med til at bane vejen for fremtidens ubrydelige kvante-internet.
\ Automatisk oplæsning
Når du tænder for din lampe, bliver du bombarderet med milliarder og atter milliarder af lyspartikler hvert eneste sekund. Et kæmpe kaos.
Men hvad nu, hvis du kunne kontrollere lyset og nøjes med at få fingrene i én enkelt mikroskopisk lille lyspartikel – og derefter sende den hen til en af dine venner med en hemmelig besked?
Det lyder som ren science fiction, men ikke desto mindre er det faktisk ved at være virkelighed.
I et nyt studie viser danske forskere, at de har tæmmet lyset og kan producere en enkelt lyspartikel – også kaldet en foton – ad gangen.
Den nye forskning kan være med til at bane vejen for kvanteinternet - en fuldstændig sikker internetforbindelse, som er umulig at hacke eller aflytte uden at blive opdaget.
»Det er et imponerende arbejde og et stort skridt på vejen mod at gøre kvanteinternet til virkelighed,« siger Michael Drewsen, som er professor ved Aarhus Universitet, men ikke har været en del af det nye studie, til Videnskab.dk.
Andre forskere kalder i en kommentar også studiet »en vigtig milepæl« inden for forskningsfeltet.
Annonce:
Mere aktuelt end nogensinde
Cyberangreb er for længst blevet en del af moderne krigsførelse.
Samtidig har talrige hackerangreb på virksomheder og offentlige institutioner i Danmark kun gjort det mere og mere tydeligt, at der er behov for et fuldstændig sikret internet.
»Det er mere aktuelt end nogensinde før at få sikret vores internetkommunikation,« siger Leonardo Midolo, som er lektor ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet, til Videnskab.dk.
»Vi ved, at et internet, som baserer sig på kvanteteknologi, vil være sikret. Derfor er der en kæmpe interesse i at udvikle det,« siger lektoren, der er en af de ledende forskere bag det nye studie.
Opskriften på en totalsikret internetkommunikation har længe været kendt af forskerne – og den kræver, at vi kan kontrollere og producere lyspartikler én ad gangen.
Fra milliardvis af lyspartikler til én ad gangen
Vores nuværende internetkommunikation baserer sig også på lys.
Det er altså lys, der er budbringerne i vores internetkabler, som ligger nede i jorden. Lyset sender de rette informationer via kablerne hjem til dit hus, så du eksempelvis kan streame en film.
Annonce:
Men frem for enkelte lyspartikler er der i vores nuværende internet tale om milliarder og atter milliarder af lyspartikler, som suser rundt i internetkablerne – og arbejder sammen som et hold.
»Hvis man i stedet kun sender en enkelt lyspartikel afsted, så ved vi, at man med sikkerhed vil opdage det, hvis nogen lytter med på forbindelsen,« forklarer Marcus Albrechtsen, som er førsteforfatter på det nye studie og forsker ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.
»Hvis nogen forsøger at måle på en enkelt lyspartikel, bliver dens information ødelagt, og man kan ikke undgå at opdage det.«
\ Hvordan producerer forskerne en enkelt lyspartikel?
Forskerne har benyttet sig af en velkendt opskrift til at producere lyspartikler en ad gangen.
De har nemlig brugt såkaldte kvanteprikker til at få kontrol over lyset.
En kvanteprik er en lillebitte prik, som er usynlig for det blotte øje, men som består af en samling af atomer. Selvom der er mange atomer (i dette tilfælde cirka 30.000 atomer), opfører de sig som ét samlet atom – og det udnytter forskerne.
Når forskerne skyder med en laser mod kvanteprikken, bliver den ramt af mange fotoner (lyspartikler), og dermed bliver kvanteprikken exciteret; det betyder, at en elektron bliver lokalt fanget i prikken og efter kort tid vil den henfalde og udsende én enkelt foton.
Dermed har man altså skabt det ønskede: En enkelt foton.
Teknikken med kvanteprikker har været velkendt i en årrække, men udfordringen har for det første været at producere fotoner af de rette bølgelængder – og ligeså vigtigt: Fotoner, som er helt ens (kohærente).
Kvanteprikkerne i det nye studie er lavet af forskere fra Bochum i Tyskland.
I et helt laboratorium - et såkaldt renrum - på Niels Bohr Instituttet i København har den danske forskergruppe desuden fremstillet nanochips, som også skal bruges til forsøget.
De danske forskere har ved hjælp af lasere, som befinder sig ved ekstremt lave temperaturer på minus 269 grader – tæt på den lavest mulige temperatur (absolutte nulpunkt) – undersøgt produktionen af fotoner og bekræftet, at der bliver udsendt meget ens (kohærente) enkeltfotoner ved bølgelængder på cirka 1.300 nanometer.
Udviklingen af kvanteprikker vandt i øvrigt nobelprisen i kemi i 2023 – læs mere i denne artikel.
Kan bruges i almindelige internetkabler
Det er langt fra første gang, at det er lykkedes forskere at tæmme lyset tilstrækkeligt til at kunne kontrollere én enkelt lyspartikel ad gangen.
Det nye er, at forskerne nu har produceret en chip, som kan fremstille én lyspartikel ad gangen - lyspartikler, som vel at mærke er af den rette støbning til at kunne bruges i helt almindelige internetkabler.
Vores moderne internetkabler – fiberkabler – består af tynde tråde af glas, som er gravet ned under jorden og ligger på bunden af verdenshavene.
Lyset, som suser rundt dernede i glastrådene, skal have bestemte farver – eller mere præcist bestemte bølgelængder - for at fungere optimalt. Hidtil har det ikke været muligt at producere lyspartikler enkeltvist med de helt rette farver.
Annonce:
Men i det nye studie viser forskerne, at de kan producere lyspartikler én ad gangen, som har præcis samme farve som det lys, der bruges i almindelige internetkabler i dag.
Eller som fysikerne ville formulere det: Fotonerne har en bølgelængde på omkring 1.300 nanometer, ligesom lyset i vores internetkabler.
Helt ens lyspartikler
Andre forskere er også lykkedes med at producere lyspartikler én ad gangen, men det har været med farver – altså bølgelængder - som ikke duer til almindelige internetkabler, forklarer Michael Drewsen.
»Det har været ved bølgelængder omkring 930 nanometer, hvor standard optiske fibre (internetkabler, red.) ikke kan anvendes.«
»Der sker for store tab over lange afstande, men tabet mindskes, når bølgelængden bliver længere,« siger Michael Drewsen.
En anden vigtig egenskab, som lyspartiklerne skal have for at fungere optimalt, er, at de skal være helt ens – de skal være kohærente. Forskerne skal altså kunne producere en enkelt lille lyspartikel, og derefter kunne producere en anden og en tredje, som er fuldstændig magen til.
»Tidligere har det ikke været muligt at lave dem helt ens. Det er vi lykkedes med. Næsten 10 gange bedre end tidligere resultater, og helt til grænsen for, hvad der er muligt,« siger Marcus Albrechtsen.
Annonce:
Andre danske fremskridt i kvanteinternet
I 2022 vakte det også stor opsigt i flere medier, da samme forskningsgruppe ledet af Leonardo Midolo beviste, at de kunne kommunikere mellem Niels Bohr Institutet i København og Danmarks Tekniske Universitet i Lyngby med en ubrydelig kvante-internetforbindelse.
Dengang havde forskerne også produceret lyspartikler - en ad gangen - som de brugte som budbringere i nogle særlige internetkabler mellem København og Lyngby.
Men forskergruppen kunne dengang ikke direkte producere lyspartikler, som havde den helt rette farve til brug i almindelige internetkabler. Derfor var de blandt andet nødt til sende lyspartiklerne igennem en særlig krystal for at få den rigtige farve – altså bølgelængde - inden de kunne sendes ud i internetkablet.
»Nu kan vi i stedet producere lyspartiklerne direkte med de rette bølgelængder. Det gør det hele mere brugbart i virkeligheden,« forklarer Marcus Albrechtsen.
\ Fakta til nørderne: Hvad viser det nye studie?
I det nye studie viser forskerne, at de er lykkedes med at skabe lyspartikler – også kaldet fotoner - en ad gangen.
Disse enkelte fotoner har bølgelængder på omkring 1.300 nanometer, hvilket er ét af de to bølgelængdeområder, som bruges i almindelige internetkabler i dag.
»Det er et af de kommercielle bølgelængdeområder, men det skal siges, at det mest benyttede bølgelængdeområde er 1.550 nanometer, hvor fotoner kan sendes endnu længere uden tab,« siger Michael Drewsen.
Hidtil har andre forskergrupper lykkedes med at producere fotoner enkeltvist med bølgelængder på op til omkring 930 nanometer, hvilket ikke er godt nok til længere transport i almindelige internetkabler.
Dog er man tidligere alligevel lykkedes med at opnå de rette bølgelængder på fotonerne ved at gøre krumspring for at ændre bølgelængden efterfølgende - blandt andet ved at sende de enkelte fotoner igennem krystaller og skyde på dem med lasere.
Men den slags krumspring giver ekstra bøvl, som gør det sværere at udnytte løsningen kommercielt, påpeger forskerne bag studiet. Det bøvl slipper man i det nye studie for ved at producere fotoner direkte med de rette bølgelængder.
Helt afgørende er fotonerne i det nye studie også meget ens (kohærente).
»Tidligere har det ikke været muligt at lave fotonerne ligeså ens, som vi har gjort. Vores fotoner er en faktor 10 gange bedre end andre grupper, som producerer fotonerne direkte. Og det er en faktor 2-3 gange bedre end dem, som efter produktionen af fotonerne omformer dem til at få de rette bølgelængder,« fortæller Marcus Albrechtsen.
Den danske forskergruppe er ledet af Leonardo Midolo fra Københavns Universitet, og Marcus Albrechtsen er førsteforfatter på det nye studie, som er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature Nanotechnology.
Ikke i mål endnu
Præstationen er ikke kun et vigtigt skridt på vejen mod et hackerfrit internet.
Flere andre kvanteteknologier, som også baserer sig på brugen af enkelte lyspartikler, vil også have gavn af gennembruddet, forklarer Marcus Albrechtsen.
Men selvom forskerne er lykkedes med at skabe de rette lyspartikler, så har de endnu ikke bevist, at de kan bruge dem til et kvanteinternet.
»Det er et vigtigt skridt på vejen mod kvanteinternet, men det er ikke det samme, som at vi bare kan begynde at rulle det ud i vores internetkabler ude i jorden med det samme. Der er fortsat et stykke vej, før vi er i mål,« siger Michael Drewsen.
Han gætter på, at kvanteinternettet bliver en realitet »inden for 10 år.«
Forskerne bag det nye studie fortæller, at nu hvor de rette lyspartikler er blevet produceret, er det næste skridt at teste lyspartiklerne i internetkabler.
\ Kilder
Læs om brug og viderebringelse af Videnskab.dk's artikler.
