Chip war er navnet på en av fjorårets mest omtalte bøker. Den handler ikke om potetgull, men om det oljefondsjef Nicolai Tangen kaller verdens mest kritiske ressurs.
Databrikker – hjernen i telefonen, bilen og datamaskinen – står også i sentrum av en rivalisering mellom stormaktene Kina og USA. Og gjennom programmet European Chips Act jobber EU for å gjøre kontinentet mer selvforsynt med halvlederkomponenter som databrikker.
Hva er en halvleder?
Halvledere er ifølge Store norske leksikon en gruppe stoffer som leder elektrisk strøm dårligere enn metalliske ledere, som kobber, men bedre enn isolatorer, som glass. Bruk av halvledere danner grunnlaget for hele den moderne mikroelektronikken.
Kanskje ukjent for mange er at Norge spiller en rolle i den strategisk viktige halvlederindustrien.
– Norge blir gjerne sett på som et råvare-eksporterende land med eksport av metaller, olje og laks. Men for å få ut råvarene trengs det mye teknologi, sier Mats Carlin. Han leder avdeling for Smarte sensorer og mikrosystemer i Sintef.
En skjult industri
Han forteller at vi har en betydelig norsk industri basert på sensorer.
Sensorer laget i Norge brukes i pasientbehandling, på havbunnen og i romteknologi, blant annet på Mars.
– Jeg kaller det en skjult industri. Ta Tomra, firmaet bak panteautomatene, som eksempel. Vi tenker på det som et panteselskap, men teknologien i bunn er sensorer. Det er sensorer som gjør det mulig å sortere flasker etter form, vekt og materiale, sier Carlin.
Han forteller at noen bedrifter ikke bare lager sensorsystemer, men også sine egne, spesialiserte mikrobrikker.
– Det finnes en skog av selskaper som bygger sin eksistens på sensorteknologi, sier han.
Veldig mange er oppstartsbedrifter i rask økning. Carlin anslår at bedrifter etablert på mikrobrikker og sensorteknologi fra Sintef har 250–300 ansatte.
Kvantesensor
Selv om sensorer allerede kan mye i dag, er det stadig et behov for å måle verden på en mer presis måte og med bedre romlig oppløsning – helst ned til nanometer-nivå. I tillegg oppfører dagens sensorer seg ofte dårligere i ekstreme forhold, som i verdensrommet eller på havbunnen.
I en kvantesensor kontrolleres kvanteegenskapene direkte. Det vil si helt nede på atomnivå. På så liten skala er naturlovene annerledes. Vi bruker kvantefysikk til å beskrive dem.
Eksempler på kvanteegenskaper er superposisjon – popularisert gjennom tankeeksperimentet Schrödingers katt, og sammenfiltring – at to partikler kan dele egenskaper selv om de befinner seg langt unna hverandre. Det er av Einstein karakterisert som «spooky action at a distance».
Hvis databrikkene er hjernen i systemet, er sensorene sansene. Begge deler har samme teknologi i bunnen.
– Sensorer er helt avgjørende for digitalisering og kunstig intelligens, sier Marianne E. Bathen. Hun forsker på kvanteteknologi ved Universitetet i Oslo (UiO).
Hun forklarer at om du skal gjøre noe digitalt, krever det en måling av den virkelige verden. Du er nødt til å ta informasjon fra den fysiske verden og putte den inn i en datamaskin.
– Vi kommer til å trenge flere sensorer. Vi kommer til å trenge sensorer som kan måle mer nøyaktig. De må også kunne måle ting raskere og ved mer ekstreme forhold.
Annonse
Marianne E. Bathen (til venstre) forsker på kvantematerialer. Her med masterstudent Mariann Carlsen Frøland.(Foto: Hilde Lynnebakken / UiO)
Det er her kvantesensorer kommer inn i bildet. Poenget med dem er i noen tilfeller å måle ting vi ikke kunne gjøre før. Andre ganger å måle ting bedre og raskere og med høyere presisjon enn det vi gjør i dag.
Allerede i kommersiell bruk
Kvantesensorer er ikke bare en teknologi som kommer i framtiden. De er allerede tatt i bruk. De brukes til å måle gravitasjonsbølger og som atomklokker. Kunstig framstilte diamanter med en defekt i krystallstrukturen brukes dessuten til svært nøyaktige målinger på biologisk materiale.
For at navigasjonssystemer som GPS skal fungere, er de avhengige av nøyaktigheten til atomklokker. Vi har altså nytte av kvantesensorer hver gang vi bruker Google Maps til å finne fram.
– Kvantesensorer som ikke endrer seg over tid og som har stor nøyaktighet, er interessant for oss, sier Terje Nilsen. Han er direktør for disruptiv teknologi i Kongsberg Discovery.
Selskapet leverer avanserte sensorsystemer i hovedsak for undervanns-applikasjoner. De er særlig basert på akustikk hvor temperatur og trykk er viktige faktorer. Nilsen forteller om behovet for sensorer som kan måle stabilt over lang tid.
– At sensorene måler likt gjennom tidsserien, og ikke trenger rekalibrering, vil være en kjempefordel, sier han.
Innen fem år tror han de kan ha tatt i bruk kvantesensorer i noen tilfeller.
Norsk sensorindustri må følge med i utviklingen, mener han.
– Selv om det kan være en dyr og lang vei frem, må vi henge på. Helst må vi bli en nøkkelleverandør til den type produkter med norsk teknologi. Om mulig må vi selv utvikle slike sensorer, sier han.
Han peker på viktigheten av at industri og universiteter jobber tett sammen fremover.
– UiO og Sintef er i ferd med å ta en spennende rolle i denne utviklingen, sier han.
Annonse
Forskning på kvantesensorer
Ved UiOs del av Mikro- og nanoteknologilaboratoriet (MiNaLab) eksperimenterer forskerne med kvantesensorer laget av halvledermaterialer.
– Det er disse materialene som brukes i sensorer i dag. Det er på dette området vi har industri og kompetanse, sier Bathen.
Silisium, for eksempel, har ordnet atomene sine i et regelmessig mønster. På laboratoriet kan forskerne med vilje lage feil i strukturen. Det gjør de ved å ta ut et atom og lage et hull. De kan også bytte ut et silisium-atom med et karbon-atom.
Slike feil eller defekter i materialet kan brukes som en sensor. Når forskerne lyser på sensoren med laser, vil den sende ut lys med en bestemt energi. Dette lyset endrer seg avhengig av omgivelsene.
MiNaLab-leder Vegard S. Olsen tror EUs Chips Act får mye å si også for Norge.(Foto: UiO)
– Hvis jeg setter på et elektrisk felt, så kan jeg se at lyset endrer farge. Og fra den fargeendringen kan jeg regne meg fram til hvilken elektrisk feltstyrke som er satt på, forklarer Bathen.
Andre defekter kan være sensitive for temperatur eller magnetfelt. Nettopp at kvanteegenskaper er uhyre sensitive, er det som skaper problemer når de skal utnyttes i kvantedatamaskiner. Men for kvantesensorer er sensitiviteten en fordel.
Enormt behov for kompetanse
Selv om norsk tilknytning til EUs Chips Act ikke er helt klar ennå, er det liten tvil om at behovet for kompetanse innen halvledere og kvanteteknologi er stort og voksende.
– Europa skal bli mer selvforsynt gjennom hele verdikjeden. Det skal etableres alt fra fabrikker for mikrobrikker til kompetansesentre og mer grunnforskning, sier Vegard S. Olsen. Han leder UiO MiNaLab.
Universitetenes rolle er todelt. Både gjennom forskning som legger grunnlaget for ny teknologi og ikke minst utdanning av folk med ulik kompetanse.
– Det er en selvforsterkende spiral. Forskning og utdanning påvirker hverandre, sier Olsen.
Annonse
Også Carlin ved Sintef peker på utdanning innen kvantesensing som ekstremt viktig for norsk industri.
– Norsk sensorindustri kan ta en posisjon innen kvanteteknologi. Men for å få det til trenger vi moderne infrastruktur for å lage kvantesensorer, folk med tung teoretisk bakgrunn, blant annet for å forstå hvilke teknologiske valg de bør ta framover, sier han.
Den andre kvanterevolusjonen
Rundt år 1900 oppdaget vitenskapsfolk at verden på veldig liten skala fungerer helt annerledes enn i vår hverdag. I løpet av noen tiår ble kvantefysikken utviklet. Teknologien som ble utviklet på basis av dette, som datamaskiner, solceller og MR-maskiner, kalles den første kvanterevolusjonen.
Nå står vi midt i den andre kvanterevolusjonen, hvor kvanteegenskapene til materialer utnyttes direkte i teknologi. Store selskaper som Google, Intel, Microsoft og IBM satser på kvanteteknologi. Stadig flere startup-selskaper gjør det samme.
Selv om kvantedatamaskiner får mest omtale, er det kvantesensorene som ser ut til å gi en fordel over klassisk teknologi først.
