Mikrochip giver danske forskere et gigantisk fremskridt i kvantefysikken

Forskerhold verden over arbejder i øjeblikket med at udvikle de nye teknologiske muligheder, som kvantefysikken rummer. På Niels Bohr-Institutet på Københavns Universitet har forskere i Center for hybride kvantenetværk (Hy – Q), som fokuserer på udviklingen af teknologi til kvantekommunikation baseret på kredsløb af lys, netop taget et kæmpe skridt fremad.

”Det er et virkelig stort resultat, selvom chippen er meget lille,” siger adjunkt Leonardo Midolo, som de seneste fem år har arbejdet sig hen imod den landvinding, som hans forskningsresultat er.

Forskerholdet har opfundet en type mikrochip, som kaldes en nanomekanisk router, og som er i stand til at udsende lyspartikler (fotoner, red.) med kvanteinformationer og dirigere dem i forskellige retninger inde i en såkaldt fotonisk chip. Fotoniske chips svarer til de mikrochips, der sidder i almindelige computere – de bruger bare lyspartikler i stedet for elektroner, som er bestanddelen af elektrisk strøm.

Den nanomekaniske router kombinerer nanomekanik og kvantefotonik – to forskningsområder, som aldrig har været kombineret før. Men væsentligst af alt har routeren en diameter, der svarer til blot en tiendedel af et menneskehår. Og netop den mikroskopiske størrelse er afgørende for de fremtidige muligheder.

”At bringe disse to verdener (nanomekanik og kvantefotonik, red.) sammen er en måde at skalere teknologien op på. I kvantefysikken er det en udfordring at skalere systemerne op. Lige nu kan vi sende enkelt-fotoner afsted, men vil vi kunne gøre mere avancerede ting med kvantefysikken, så skal systemerne skaleres op, og det kan vi gøre på sigt med vores opfindelse.

Vil du bygge kvantecomputeren eller kvanteinternettet, har du ikke bare brug for en foton, du har brug for en masse af dem, som du kan forbinde til hinanden,” forklarer Leonardo Midolo. 

Realistisk at opnå ’kvanteoverlegenhed’  

For at kunne udnytte kvantefysikkens love til fx at bygge en kvantecomputer eller et kvanteinternet er det nødvendigt at integrere mange nanomekaniske routere i den samme chip. Der skal udsendes omkring 50 fotoner for at have kapacitet nok til at nå det stadie, man kalder ”kvanteoverlegenhed”. Et mål, der med den nye nanomekaniske router ikke er urealistisk ifølge Leonardo Midolo.

”Vi har beregnet, at vores nanomekaniske router allerede nu kan skaleres op til ti fotoner, og med yderligere forbedringer skulle den kunne nå de 50 fotoner, som det kræves for at nå kvanteoverlegenhed,” siger han.

Opfindelsen er også et kæmpe skridt henimod at kontrollere lys i en chip. Den teknologi, der findes i dag, gør det kun muligt at integrere to-tre routere i en chip på grund af deres størrelse. Men ved at bruge de bittesmå nanomekaniske routere, kan man integrere flere tusinde af dem i den samme chip.

”Vores mikrochip har en ekstrem høj effektivitet. Det handler om at kunne sende mange lyspartikler afsted på samme tid uden at miste nogen af dem, og det eksisterer der ikke andre teknikker, der kan gøre,” siger Leonardo Midolo.

Forskningen er udført i Quantum Photonics Group på Niels Bohr Institutet, som er en del af Center for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q).