Lovende kvante-byggeklodser til fotoniske kvantesimulatorer

Dermed er de første skridt taget til udviklingen af en kvantesimulator, som kan beskrive og simulere andre komplekse kvantesystemer – fx biologiske molekylers vibrationsdynamik. Resultatet er netop publiceret i Science Advances.

Det lange seje træk viser nu sin værdi

Professor Peter Lodahl og forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, har i snart tyve år arbejdet med feltet kvantefotonik, som kort beskrevet består i at benytte enkelte fotoner, de mindste dele af lys, til at kode kvanteinformation.

Feltet er i rivende udvikling, med demonstration af den første enkeltfoton-krypterede kommunikation i efteråret 2022 og en dugfrisk, rekordstor investering i spinoff-virksomheden Sparrow Quantum.

Kernen i det hele er de fotonkilder, som gruppen har udviklet og forfinet i mange år. De har opnået hidtil uset kontrol, præcision og kvalitet, hvilket åbner dørene til ny forskning og udvikling indenfor kvanteteknologi.

Kvantesimulator – hvordan skal det forstås?

Lige så snart ordet ”kvant” kommer på bordet, følges det ofte af ordet ”computer” – altså ideen om en ekstremt stærk beregningsplatform, som har en særlig kapacitet til at behandle komplekse problemer. Men Peter Lodahl fortæller, at arbejdet med det nylige forskningsresultat mere peger i retning af det de kalder en ”kvantesimulator”.

En kvantesimulator er en art computer, der har som sit særlige formål at simulere kvantesystemer ved at behandle kvante-information (kvantebits), som frembyder store vanskeligheder for klassiske computere.

”Processeringen af kvanteinformation kræver eksponentielt voksende kapacitet på en klassisk computer når antallet af kvantebits øges. Det betyder at klassiske computere ikke kan løse eksakt selv ret simple kvantemekaniske problemer”, fortæller postdoc Stefano Paesani, som har været en af de ledende forskere bag resultatet.

Hvad kan en kvantesimulator bruges til?

Men hvad vil det sige at ”behandle” kvanteinformation?

Her kommer et helt centralt tværfagligt element ind i billedet. Indenfor rammerne af Novo Nordisk projektet, ”Solid-State Quantum Simulators for Biochemistry (Solid-Q)” undersøger man hvordan fotoner, som vekselvirker i et fotonisk kredsløb, kan bruges til at beskrive egenskaber af biokemiske processer.

Man kan bruge det ene system (fotonerne) til at lære noget om det andet (biomolekylet), fordi den fotoniske kvantesimulator kan processere den komplekse kvanteinformation som beskriver det.

En af udfordringerne består i at forstå sammenhængen mellem de to komplekse kvantesystemer.

Kvantesimulatoren fungerer ved at se kongruens mellem forskellige kvantesystemer

”Man kan lære noget om det andet system, ved at studere det ene – man kan ”mappe” eller kortlægge et system med et andet.

Den indledende indsigt i et komplekst system er dog helt afgørende for hvordan det ene system ”mapper” ift. et andet system.

Der består fx en naturlig ”mapping” mellem fotoner på den ene side, og biologiske molekylers vibrationsdynamik.

Når et molekyle vibrerer, kan dets udvikling beskrives gennem den samme kvantemekaniske operation som beskriver fotoner, der sendes gennem et kredsløb”, fortæller Peter Lodahl”.

Teknologierne skal trykke hinanden i hånden

Udfordringen består i at processere de fotoner, der kommer farende med lysets hastighed og i stort antal. Det skal, i sagens natur, ske ekstremt hurtigt og uden tab – der må helst ikke ske for mange fejl undervejs.

Gruppen har samarbejdet med University of Münster i ca. to år om at udvikle de fotoniske kredsløb, som kan processere kvantebits fra fotonkilden – og få de to systemer til at passe sammen.

Peter Lodahl fortæller, at Novo Nordisk SolidQ projektet netop er gået ud på at optimere processeringen af fotonerne.

”Samarbejdet med Münster er et glimrende eksempel på, at forskningsverdenen tager de første skridt - vi laver et ”road map” for opskalering af teknologien, som andre så kan bruge. Denne her platform ser meget lovende ud, og i samarbejdet med Münster er det lykkedes at udvikle fotoniske kredsløb med tilstrækkelig høj effektivitet, som er hurtige nok til at kunne følge med de ekstremt hurtige enkelt-foton-kilder.

Dermed er døren åbnet til at begynde at tænke i anvendelse”, siger Stefano Paesani.

Link til den videnskabelige artikel: High-speed thin-film lithium niobate quantum processor driven by a solid-state quantum emitter | Science Advances