Langvarig barriere i kvantekommunikation er brudt

Signaltab i optiske fibre

Kvanteprikker er uovertrufne i deres evne til at generere kohærente enkeltfotoner – dvs. enkelte partikler af lys, som ikke kan deles eller kopieres og derfor er sikre at anvende til kvantekommunikation. Indtil nu har problemet været, at de bedste kvanteprikker kun fungerede ved bølgelængder omkring 930 nm, hvilket er langt fra de bølgelængder, der er kompatible med almindelig telekommunikation eller ”telekom båndet ”, som starter ved 1260 nm. Kun disse længere bølgelængder kan bruges til at distribuere informationsbærende fotoner over lange afstande.

Nu er det lykkedes forskere at skabe en ny type kvanteprik, som udnytter det bedste fra begge verdener.

Støj er fjenden for alt hvad der har med kvant at gøre

Forskere, der arbejder med kvantelyskilder, har længe forsøgt at arbejde direkte i telekom båndet, men de fotoner, der blev produceret ved disse bølgelængder, var altid meget støjfyldte, som Leonardo Midolo forklarer. “Støjfyldt betyder i denne sammenhæng, at man ikke kunne generere flere fotoner efter hinanden med nøjagtig de samme egenskaber. Fotonerne skal være fuldstændig identiske, og det har vist sig ekstremt udfordrende at opnå dette niveau af kvantekohærens i telekom båndet.”

To store udfordringer overvundet

Leonardo Midolo og hans team er lykkedes med at overvinde to store udfordringer på én gang: Deres fotoner er nu kohærente og identiske, og de udsendes direkte i det oprindelige telekom bånd (omkring 1300 nm), en bølgelængde, som bruges i nutidens standard fiberoptiske netværk. Dette åbner døren for at koble fotoniske, altså de kvanteteknologier der benytter lys/fotoner, til den eksisterende kommunikationsinfrastruktur.

I årevis har en slags “accepteret sandhed” cirkuleret i forskningsmiljøet: Ja, man kan lave fotoner i telekom båndet, men de vil være støjfyldte og ikke kohærente – hvilket, som Leonardo bemærker, i praksis betød “ubrugelige” til kvanteanvendelser. Gennembruddet her udfordrer denne antagelse.

Fremskridtet bygger i høj grad på et samarbejde med forskningsgruppen i Bochum, Tyskland, som har optimeret dyrkningen af disse kvanteprikker med ultralav støj.

“Vi bruger derefter avanceret nanofabrikation i vores renrum på Niels Bohr Instituttet til at forme og mønstre disse materialer til kvantefotoniske kredsløb,” tilføjer Marcus Albrechtsen, delt førsteforfatter på studiet. “Vi fremstiller nanochips og undersøger dem med lasere ved lave temperaturer for at bekræfte, at de udsender meget kohærente enkeltfotoner.”

Ekstra gevinst

Lige så vigtigt – en slags glasur på kagen – er, at fotonisk integrerede kredsløb, chip-skalerede optiske kredsløb, der miniaturiserer komplekse optiske opsætninger,  typisk fremstilles i silicium. Det er det mest udbredte og omkostningseffektive materiale til at styre og lede lys på en chip. Silicium absorberer imidlertid meget af lyset ved bølgelængder under 1100 nanometer, hvilket hidtil har udelukket integrationen af nær-infrarøde emittere som kvanteprikker i disse fotoniske chips. Det betyder, at hvis man kan lave fotoner, der er kohærente, identiske og opererer ved 1300 nm, kan man direkte indlejre kvalitets-kvantelyskilder i kommercielle silicium-baserede fotoniske chips.

Det åbner op for mange muligheder – muligheder, der i lang tid blev anset for at være uden for rækkevidde,”

Hvad sker der nu?

Denne præstation fjerner reelt en af de største forhindringer for at bygge reelle, storskala kvantenetværk. Det betyder, at kvantechips, kvante-forlængere og langdistance kvantekommunikation nu kan bygges ind i verdens eksisterende fiberinfrastruktur. Ingen komplicerede omveje - bare plug-and-play kvanteteknologi.

Kort sagt: Døren til et funktionelt kvanteinternet er nu officielt åben. Og med denne platform i hånden er kapløbet i gang for at bygge det første skalerbare kvantenetværk.

Resultatet er nu publiceret i Nature Nanotechnology:  https://doi.org/10.1038/s41565-026-02156-7