Forestill deg en nanopartikkel som er tusen ganger mindre enn tykkelsen på et hårstrå.
I partikkelens indre er det et elektron som hele tiden hopper mellom to baner i en bølgebevegelse. Akkurat som når elektroner skifter mellom ulike energitilstander i atomer.
Bevegelsen gjør at det sendes ut fotoner, altså lys.
Forskere fra det danske Niels Bohr Institutet har kapslet inn en slik nanopartikkelen i en litt større mikrochip som er om lag 10 ganger mindre enn tykkelsen på et hårstrå.
Med mikrochipen kan forskerne med presisjon kontrollere de fotonene som blir sendt ut fra nanopartikkelen.
– Forskerne har laget et kunstig atom som består av et elektron som beveger seg rundt i en nanostruktur, forklarer Klaus Mølmer, som er professor i kvantefysikk ved Aarhus Universitet.
– De viser at de kan styre når det kunstige atomet sender ut fotoner, og at de kan dirigere det akkurat dit de trenger, utdyper professoren.
Mølmer har ikke selv vært involvert i eksperimentene, men han har lest den vitenskapelige artikkelen som nettopp er publisert i tidsskriftet Science Advances.
Superdatamaskiner kan ikke holde følge
Oppfinnelsen fra Niels Bohr Institutet kan bli en avgjørende komponent i framtidens kvantedatamaskiner. Det er datamaskiner med en yteevne som er mange ganger kraftigere enn de beste superdatamaskinene som finnes i dag.
Noen av de kvantedatamaskinene som er under utvikling, bruker lyspartikler som kvantebits som lagrer informasjon.
– Vi demonstrerer at vi kan kode så mye informasjon i kvantebits at de beste superdatamaskinene ikke lenger kan følge med, sier Peter Lodahl, som er professor ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og leder av grunnforskningssenteret Hy-Q.
– Det er et gjennombrudd for den typen teknologi, legger han til.
Den fotoniske mikrochipen kan være med på å gjøre kvantedatamaskiner i stand til å løse oppgaver som hittil har vært umulig, for eksempel forutsi hvordan proteiner i kroppen folder seg eller hvilke materialer som vil fungere best for eksempel i solceller. Forklaring følger.
Lysfotoner kan brukes som kvantebit
For å forstå hvordan en fotonisk mikrochip som kan kontrollere lyspartikler, kan bli en nøkkelkomponent i en kvantedatamaskin, må vi ha et par ting på plass.
Kanskje har du hørt at noen kvantedatamaskiner fungerer ved å utnytte kvantemekanikk, der elektroner kan være to steder på en gang i en såkalt superposisjon.
I vanlige datamaskiner lagres alt i tall – såkalte bits – som enten kan være 0 eller 1. Kvantedatamaskinene kan få ekstra kapasitet ved å bruke elektroner som på en måte kan være både 0 og 1 samtidig, til å lagre informasjon.
Googles kvantedatamaskin, som i 2019 løse et hittil uløselig regnestykke, utnytter nettopp dette.
Fotoner – altså lyspartikler – kan også befinne seg i superposisjon og kan derfor også brukes til å lage kvantebits i kvantedatamaskiner.
– Fotonene må være helt like og være sendt ut med akkurat samme intervall, forklarer Klaus Mølmer.
Mikrochipen kontrollerer fotonene
Det er her oppfinnelsen fra Niels Bohr Institutet kommer inn i bildet.
Peter Lodahl og teamet hans har vist at de med mikrochipen sin kan kontrollere de fotonene som sendes ut fra nanopartikkelen.
– Når fotoner sendes ut, vil det normalt være forstyrrelser som påvirker fotonkvaliteten. Det kan være elektrisk støy i materialet, termiske vibrasjoner eller kobling til urenheter. Alt det har vi fjernet, så vi har fått ekstremt identiske fotoner. Våre kvantebits er derfor av veldig høy kvalitet, forklarer Lodahl.
Med den fotoniske mikrochipen kan forskerne generere helt identiske lyspartikler som blir sendt ut med et presist intervall.
– Det krever ekstremt mye kontroll og presise eksperimenter, for kvantebits er veldig følsomme overfor støy, som betyr at superposisjonstilstanden ødelegges. Til syvende og sist er det den store utfordringen for kvanteteknologien, for når man skalerer opp kvantesystemene, blir de mer og mer følsomme overfor forstyrrelser, legger han til.
Fotoner kommer som perler på en snor
I eksperimenter har forskerne sendt en laserpuls inn på nanopartikkelen som de med stor presisjon har fått til å sende ut et foton av gangen.
– De kommer som perler på en snor med en kvantebit hver. Vi har vist at vi kan sende ut 115 fotoner på rad med høy kvalitet. De er så uforstyrret at de kan brukes til å kode i veldig høy kvalitet, sier Peter Lodahl.
Nanopartikkelen i chipen trenger bare å generere 54 fotoner av tilstrekkelig høy kvalitet for å slå verdens største superdatamaskin.
En hittil uløselig oppgave kan løses
Peter Lodahl og teamet hans driver grunnforskning og har ikke ressurser til å bygge en kvantesimulator selv, så de kan ikke demonstrere hvor godt metoden virker.
Men de har gjennomført beregninger som viser at chipen de har utviklet, som kan sende ut 115 fotoner på rad, kan generere kvantebits av så høy kvalitet at den kan gi en kvantedatamaskin kapasitet til å løse et fysisk problem som kalles Boson-sampling.
Det går ut på å regne ut hvordan fotoner som blir sendt ut fra atomer, beveger seg.
– Det er utrolig vanskelig å regne utenfor en klassisk datamaskin fordi fotonene kan være flere steder på en gang. Ifølge beregningene vil en kvantedatamaskin som bruker den nye fotoniske chipen som lyskilde, kunne regne det ut på en dags tid, sier Klaus Mølmer.
– Det er andre forskere som arbeider med samme metode, men ingen har så vidt jeg vet laget en fotonkilde som er så presis. Den er ekstremt lovende, legger han til.
Kinesisk kvantedatamaskin bruker fotoner
Nylig kom det fram at kinesiske forskere har bygget en kvantedatamaskin som bruker fotoner som kvantebits.
Den kinesiske kvantedatamaskinen har imidlertid den svakheten at fotonene genereres spontant, ikke på kontrollerte tidspunkter, påpeker Peter Lodahl.
– De har ikke kontroll med dem slik vi har. Kilden vår til kvantebits er deterministisk i den forstand at når jeg trykker på en knapp, så kommer det et foton ut. Det har ikke kineserne demonstrert enda, sier Lodahl.
Selv om professoren ikke selv har muligheter for å bygge en kvantedatamaskin, tror han oppfinnelsen kan berike feltet.
– Vi kan utvikle forståelsen og fysikken og demonstrere hva som er mulig. Selve oppskaleringen og utviklingen av en kvantedatamaskin er en mye større satsing. Vi håper kommersielle partnere kunne være interessert i å ta skrittet videre og bruke forskningen vår, sier Lodahl.
Kvantedatamaskiner, for eksempel den kinesiske som nettopp har blitt vist fram, er fortsatt på et utviklingsstadium.
De eksperimentelle kvantedatamaskinene kan bare løse et enkelt problem. De kan fortsatt ikke fungere som universelle datamaskiner som kan klare hvilken som helst oppgave de blir satt til.
Referanse:
Ravitej Uppu mfl.: «Scalable integrated single-photon source», Scientific Advances, 2020. DOI: 10.1126/sciadv.abc8268
© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.
