Fotonkanonen

På Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet er professor i fysik Peter Lodahl en af mange, der arbejder med at udvikle nye teknologier, som måske en dag kan give os blandt andet kvantecomputeren.

Sådan en vil kunne regne på nogle af universets mindste byggesten, atomerne, hvor der gælder en helt anden fysik, kvantefysikken, end den mekaniske fysik, vi kender fra vores hverdag.

Inden for kvantefysikken kan en elektron for eksempel være to steder på én gang, og det kan vores nuværende computere ikke regne effektivt på.

Læs mere:

»Den interne proces var ekstrem. Vild og blodig«

Kvantecomputeren kan til gengæld regne effektivt på atomernes verden, men der er bare et problem: Den kan kun regne ved hjælp af lysets grundbestanddele, fotonerne.

Derfor er der opstået et behov for at kunne styre fotonerne helt præcist, og her er Peter Lodahl førende ekspert.

CHIPPEN – Overfladen af en fotonisk chip, som består af en række områder, der indeholder fotoniske nano-strukturer. Chippen gør det muligt med en laserstråle at anslå én elektron, der derefter udsender én foton ad gangen. Foto: Ola Jakup Joensen, Niels Bohr Institutet

Effektivitet er alfa og omega

Peter Lodahls Quantom Photonics Group har udviklet en ny type chip, der har fået navnet ‘fotonkanonen’, og som noget helt nyt kan udsende én foton ad gangen i en bestemt retning. Innovationen kan være med til at gøre kvantecomputeren til virkelighed foruden hele det område, der hedder kvanteteknologi, og som kvantecomputeren kun er en del af.

At tale om en kanon kan virke lidt misvisende for chippens måde at arbejde på. Den er bittelille, kun en halv millimeter bred, og dens overflade er fuld af strukturer, der bare er få milliontedele af en millimeter i størrelse – såkaldte nano-strukturer.

Chippen virker ved, at den i sin midte indeholder små nano-objekter – såkaldte kvantepunkter – som består af hundredtusindvis af atomer, der opfører sig som om de kun er ét atom. Det gør det muligt med en laserstråle at anslå én elektron, der derefter udsender én foton ad gangen.

EKSPERIMENTET – Udsnit af en forsøgsopstilling som bruges til at teste en-foton lyskilder. Selve lyskilden er integreret på en mikroskopisk fotonisk chip og monteret i et “køleskab”, der køler ned til 4 grader over det absolutte nulpunkt (-269 grader). Foto: Ola Jakup Joensen, Niels Bohr Institutet

Bagefter er det nano-strukturerne rundt omkring på overfladen af chippen, der ’høster’ de udsendte fotoner, som bliver til i form af en fotonstråle. Det er lykkedes Peter Lodahl at gøre det med en effektivitet, så hele 98,4 procent af fotonerne udsendes i samme retning.

Den høje effektivitet er helt afgørende for at kunne skalere princippet op til at kontrollere så mange fotoner, at det bliver muligt at bruge dem til at lave større beregninger i for eksempel en kvantecomputer.

Kvantetoget kører

Peter Lodahl fortæller, at udviklingen inden for kvanteteknologien er begyndt at gå virkelig stærkt, og i dag står man med flere lovende kvanteteknologier.

Hans chip er én af dem, og på verdensplan er han blot en af mange forskere, der arbejder med kvanteteknologi.
Som forsker er han begejstret over at leve i spændende tider:

»Det er vildt spændende i dag. Det er lige præcis i disse år, at kvanteteknologien begynder at blive kommercielt relevant, og mange store it-virksomheder er begyndt at spytte store penge i den,« siger Peter Lodahl.

FORSKERNE – Peter Lodahl (yderst til højre) og to af hans medarbejdere ved en af de forsøgsopstillinger, som de bruger til at måle på en-foton lyskilder. Foto: Ola Jakup Joensen, Niels Bohr Institutet

Nu går arbejdet videre med at kunne smelte flere nye kvanteteknologier sammen til én egentlig kvanteteknologi, som vil kunne bruges til noget også uden for universiteternes laboratorier.

»Vi forskere er nu i færd med at skalere vores simple kvantesystemer op i størrelse for at bygge mere komplekse kredsløb. Den udvikling er sket i løbet af bare de sidste fem år, og måske har vi allerede om få år en kvantecomputer, der kan løse særlige opgaver, som vores computere ikke kan løse i dag,« siger han.

anfj@adm.ku.dk