Massiv investering: Fra teoretisk kvantefysik til brugbar kvanteteknologi

”I dag er Danmark i den helt specielle situation, at vi har en række af verdens absolut førende forskere inden for eksperimentel kvanteteknologi.  Innovationsfonden har besluttet at udnytte denne unikke danske styrkeposition til en storstilet satsning på at skabe nye forretninger inden for dette område og forventer at kunne bringe Danmark helt i front her. Dette sker ved at etablere et nationalt center med en indledende to-årig bevilling på 80 mio. kr.”, fortæller Peter Høngaard Andersen, direktør for Innovationsfonden.

Quantum Innovation Center, eller Qubiz som det nye nationale center kaldes, har basis på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, DTU og Aarhus Universitet og har deltagelse af tre udenlandske universiteter og 18 virksomheder, heraf 8 udenlandske.

Styr på kvantefysikken

Kvantefysik beskæftiger sig med stofs egenskaber på atomart niveau, og kvantefysikkens love er fundamentalt anderledes end dem, vi kender fra ’klassisk fysik’, der beskriver den makroskopiske verden omkring os. I kvantefysikken kan et atom eller en foton være to forskellige steder samtidigt, eller to objekter kan være ’sammenfiltret’, dvs., at hvis man måler på det ene objekt, så påvirker det øjeblikkeligt det andet - også selvom det er langt væk.

Det er disse sære kvantefysiske fænomener, som forskerne nu kan realisere i deres laboratorier. I forskningsgruppen, Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet arbejder de på at skabe et kredsløb baseret på lys (fotoner) i stedet for elektroner – altså fotonik i stedet for elektronik.

Fotoniske chips

”Der er fantastiske fremtidsperspektiver for ny informationsteknologi baseret på lys (fotoner). Vi arbejder på at skabe et kvante-internet, hvor man blandt andet vil kunne kryptere beskeder, som er fuldstændigt ubrydelige, eller som kan bruges til at lave gigantiske beregninger af store og komplekse problemer, som almindelige computere ikke har tilstrækkelig regnekraft til at løse”, fortæller Peter Lodahl, professor og leder af forskningsgruppen, Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet.

Men for at kunne skabe et netværk med fotoner har man brug for at kunne kontrollere transporten af fotoner i et kredsløb. Forskerne har derfor udviklet en fotonisk chip med et kvantepunkt, der udsender én foton ad gangen, så man kan styre fotonens retning. En ny stor landvinding er, at kvantepunktet kan bruges som en kontakt for fotonerne – en slags transistor. Det er en vigtig komponent for at kunne skabe et komplekst netværk af fotoner.

”Den fotoniske chip, vi har udviklet, er meget effektiv, og også af kommerciel interesse, så vi har derfor for nyligt startet ny virksomhed med produktion af komponenter til fremtidens kvantekommunikationsteknologi”, siger Peter Lodahl og tilføjer, at det, at Innovationsfonden investerer så massivt i kvanteteknologi er meget stort for forskningen og teknologiudviklingen.

Netop det at udvikle nye produkter, starte nye virksomheder og samarbejde med erhvervslivet er et af hovedformålene med Innovationsfondens investeringer.

Fra almindelige bits til qubits

Almindelige computere er begrænsede i deres formåen til at kunne løse meget indviklede problemer. Begrænsningen ligger i, at beregningerne i almindelige computere er baseret på bits, der består af enten 0- eller 1-taller.

I en kvantecomputer opbygges data af kvante-bits, eller qubits. Qubits er også en slags 0- og 1-taller, men ifølge kvanteverdenens ejendommelige love, som hersker på atomart niveau, kan 0- og 1-stadierne være i superposition og eksistere samtidigt. Det betyder, at en kvantecomputer vil kunne udføre ekstremt store mængder af databeregninger og vil blive meget hurtigere end almindelige computere.

Majorana-partikler til kvanteinformation

Men problemet har været at finde de helt rigtige partikler til qubits, for kvantetilstande er skrøbelige, og qubit'en bliver let en almindelig bit, så snart den måles. På Niels Bohr Institutet arbejder forskningsgruppen, Center for Quantum Devices, QDev med såkaldte Majorana-partikler, der ikke findes naturligt, men som kan blive skabt i visse materialer.

”Majorana-partiklernes kvantetilstand er beskyttet på en fundamentalt anderledes måde end sædvanlige kvantetilstande. Beskyttelsen ligger i, at partiklen samtidigt eksisterer i begge ender af særlige nanotråde, og for at ødelægge dens kvantetilstand, skal man forstyrre den i begge ender på samme tid, og det er helt usandsynligt. De særlige nanotråde er udviklet af forskerne i QDev på Niels Bohr Institutet, og de er afgørende for forskningens nye gennembrud”, fortæller Charles Marcus, leder af Center for Quantum Devices (QDev) på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Charles Marcus er en af verdens førende forskere indenfor kvante-elektronik, og Center for Quantum Devices har indledt samarbejde med Microsoft i udvikling af fremtidens kvantecomputere.

Ultrasensitiv måling

Med i samarbejdet på Niels Bohr Institutet er også forskningsgruppen, Quantop, der ledes af professor Eugene Polzik.

”Vi arbejder med flere former for kvanteteknologi. Dér, hvor vi ser en mulighed for forretningsudvikling er vores forskning i ultrasensitiv måling af radiobølger med laser. Metoden kaldes opto-mekanik, som er et kompliceret samspil mellem en mekanisk bevægelse og optisk stråling. Vi har udviklet en detektor, der ved almindelig stuetemperatur kan måle radiobølger ved hjælp af laserlys på en måde, så man undgår støj og derfor kan opnå ekstremt præcise målinger af selv de svageste signaler. Radiobølger indgår i mange målinger og funktioner som f.eks. kommunikation med mobiltelefoner, MR-scanninger, videnskabelige eksperimenter og kosmiske observationer”, fortæller Eugene Polzik, professor og leder af Quantop.

Dette er en banebrydende ny metode til at måle elektriske signaler, som kan få stor indvirkning på fremtidens teknologier, og Eugene Polzik ser meget store perspektiver i den nye fintmærkende målemetode, både indenfor udstyr til medicinsk behandling og til observationer i rummet.

Gruppen har også et projekt, som omhandler udvikling af små og ekstremt følsomme magnetfeltsmålere baseret på cæsium-gas i små glasbeholdere.

”Vi har allerede demonstreret, at vores sensor kan detektere meget små biologiske signaler fra nervesystemet, og med støtte fra Innovationsfonden vil vi videreudvikle vores magnetfeltsmåler til en mere praktisk og kompakt sensor, som kan benyttes til forskellige formål indenfor biologi og medicin, for eksempel til diagnostisering af hjerte- eller øjensygdomme", forklarer Eugene Polzik

Præcis frekvensmåling

Jan Thomsen er leder af forskningsgruppen Ultrakolde Atomer, der forsker i ultrapræcise atomure og præcisionsmålinger ved hjælp af kvanteoptik.

Måleenheder skal være nøjagtige, det gælder længder, vægt, ampere osv. I Danmark findes der et måleinstitut, der holder styr på alle vores enheder, også frekvensenheder, f.eks. findes der en ’frekvensnormal’ til synkronisering af alle store netværk. Men udnyttelsen af lysfibernetværk er steget kolossalt, og samtidigt er frekvensmålinger baseret på en gammeldags teknologi.

”Vi arbejder på at udvikle en ny teknologi, der udnytter kompakte molekylære ure til synkronisering af frekvensnormaler indenfor optisk kommunikation. Til det vil vi bruge acetylen-molekyler (svejsegas), som har nogle optiske overgange, der er meget præcise”, fortæller Jan Thomsen, der allerede er i kontakt med en virksomhed om samarbejde til udvikling af udstyr til præcisionsmålinger.  

Qubiz Center

Administrerende direktør for det nye Qubiz Center bliver Søren Isaksen. Han har tidligere været teknisk direktør i NKT-koncernen og medlem af og formand for forskellige forskningsråd. Ud over at lede centret vil hans arbejde bestå i at skabe kontakt til danske og udenlandske virksomheder og sammen med forskerne være med til at finde ud af, hvor der er et anvendelsespotentiale til at starte nye forretninger. Bevillingen fra Innovationsfonden betyder også ansættelser af nye medarbejdere med forretnings- og ingeniørmæssig baggrund, såvel som forskere.

Emner