Kvantenetværk: Frem og tilbage er ikke lige langt!

”Den mindste bestanddel af lys er en foton, og fotoner er meget velegnede til at bære informationer. Et kvantekredsløb baseret på fotoner vil kunne indeholde langt mere information end det er muligt med den nuværende computerteknologi, og informationerne vil ikke kunne opsnappes undervejs. Så vi arbejder på at skabe fremtidens kvanteteknologi baseret på fotonik”, fortæller Peter Lodahl, professor og leder af forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Fotoniske chips med nye egenskaber

Forskerne på Niels Bohr Institutet har udviklet en fotonisk chip, hvor der er indlejret en lyskilde – et såkaldt kvantepunkt. Ved at lyse på kvantepunktet med laserlys anslås atomernes elektroner, som så hopper fra én bane til en anden og dermed udsender én foton ad gangen. Lys udsendes normalt i alle retninger, men den fotoniske chip er konstrueret sådan, at alle fotonerne sendes ud gennem en fotonisk kanal. Så langt så godt. Men problemet er, at fotonerne sendes i begge retninger i den fotoniske kanal, og det begrænser effektiviteten af lyskilden. Det vil være et problem, der vokser, jo større og mere komplekst kredsløbet bliver.

”I vores arbejde på at løse det problem, har vi nu udviklet en ny fotonisk kanal, hvor vi kan styre fotonerne til kun at blive sendt i én retning. Det er en fundamental ny opdagelse af, at man kan få udsendelsen af lys på en fotonisk chip til at foregå på en måde, man ikke tidligere troede var mulig”, fortæller Peter Lodahl.

Styrer retningen af fotonen

Immo Söllner og Sahand Mahmoodian, der begge er postdocs i forskningsgruppen Kvantefotonik, har arbejdet med både teorien og eksperimenterne. De forklarer, at med laserlys anslås kvantepunktets elektroner, som så hopper fra én bane til en anden og dermed udsender én foton. Ved at styre elektronernes spin med et magnetfelt, kan man få helt forskellig lysudsendelse. En foton, der udsendes fra et kvantepunkt med elektronens spin nedad, vælger én retning i den fotoniske chip, mens fotonen fra et kvantepunkt med elektrons spin opad, vælger den modsatte retning.

Forsinkelse i den ene retning

Det mest spændende ved den nye fotonkanal er måske endda ikke, at lysudsendelsens retning afhænger af kvantepunktets spin. Det viser sig nemlig også, at en foton, som kommer ind fra den ene ende af kanalen, opfører sig anderledes end en foton, som kommer ind fra den anden. Kun når fotonen bevæger sig den ene vej, vekselvirker den med kvantepunktet, og det forsinker fotonen en lille smule, præcis som om fotonen havde bevæget sig lidt længere. I det her system er frem og tilbage derfor ikke lige langt! Og ikke lige langt er ikke ligegyldigt, men tværtimod ekstremt vigtigt.

”Fotonen forsinkes en smule fordi den vekselvirker med kvantepunktet. Vi får nu en række nye muligheder for at kontrollere og designe vekselvirkningen mellem en foton og et kvantepunkt, som er vigtigt for at udvikle kvantecomputere”, forklarer Immo Söllner og Sahand Mahmoodian.

Baner vej for ny kvanteteknologi

Søren Stobbe, som er lektor i Kvantefotonikgruppen på Niels Bohr Institutet har ledet fremstillingen af den nye lyskilde, der er blevet til i samarbejde med professor Jin Dong Songs forskningsgruppe ved Korea Institute of Technology, og han tilføjer, at den nye teknologi har den store fordel, at den er baseret på de samme halvledermaterialer, som kendes fra computerindustrien. Det betyder, at vejen fra laboratorium til anvendelse er kortest mulig, selvom forskerne selv vurderer, at det vil kræve betydelige investeringer.

”Vi kan kontrollere kvantepunktets tilstand og dermed bestemme i hvilken retning fotonen udsendes, og om lys, der bevæger sig den ene eller anden vej, skal forsinkes. Dette er en helt ny funktionalitet, som vil have en række praktiske fordele, når vi nu skal i gang med at konstruere kvantenetværk, som blandt andet forventes at have stort potentiale til at beregne svære opgaver indenfor kemi og materialeteknologi. Vi har derfor patentbeskyttet vores opdagelse og arbejder imod kommercialisering”, siger professor Peter Lodahl.

• Link til den videnskabelige artikel i Nature:
  
  

Emner