2. juli 2025

Lydsignaler i computerchips – nærmest uden signaltab

Kvanteoptik:

Når en trommeslager spiller på en tromme, sætter hun trommeskindet i svingninger ved at slå på det. Vibrationen indeholder altså et signal, som vi kan afkode som musik. Når trommeskindet holder op med at vibrere, er signalet gået tabt. Forestil dig nu et trommeskind, som er ultratyndt, ca 10 mm bredt og perforeret af en masse trekantede huller. Forskere på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, har i samarbejde med University of Konstanz og ETH Zürich formået at få svingninger til at transportere sig rundt i denne membran, nærmest helt uden at der opstår tab. Faktisk så lidt tab, at det er langt bedre end selv elektroniske kredsløbs signalhåndtering. Resultatet er nu publiceret i tidsskriftet Nature.

Adjunkt Xiang Xi og Professor Albert Schliesser i forskergruppen Quantum Optomechanics på Niels Bohr Institutet har formået, at få svingninger til at transportere sig rundt i en membran nærmest helt uden tab.

Phononer – lydsignaler eller svingninger, som spreder sig gennem et fast materiale

Signalet består af fononer – som man kan oversætte til det man kunne kalde svingninger i et fast materiale. Atomerne vibrerer og skubber så at sige til hinanden, så et givet signal kan flytte sig gennem materialet.

Så er der ikke langt til at forestille sig, at man koder et signal, som derpå sendes gennem materialet, og her kommer signaltab ind i billedet.

Hvis signalet mister styrken, eller dele af signalet går tabt i varme eller forkerte vibrationer, ender man med ikke at kunne afkode korrekt.

Forstørrelse af silicium nitrid membranen. Farverne repræsenterer bevægelserne I membranen, når de bevæger sig ud af membranens plan. Rød betyder, at dén del af membranen bevæger sig opad og blå betyder nedad.

Systemets pålidelighed er afgørende

De signaler forskerne er lykkedes med at sende gennem membranen udmærker sig ved at være så godt som tabsløse. Membranen som platform for at sende information er utroligt pålidelig. Man måler tab som et fald i lydbølgens amplitude, når den bevæger sig rundt på membranen.

Når forskerne leder signalet gennem materialet og rundt om hullerne i membranen - hvor signalet endda skifter retning - er tabet omkring en fonon ud af en million.

Amplituden af strømsvingninger i et lignende elektronisk kredsløb falder omkring hundrede tusinde gange hurtigere.

Grundforskning med perspektiver

Forskerne ved Niels Bohr Institutet, Adjunkt Xiang Xi og Professor Albert Schliesser forklarer, at resultatet ikke skal tænkes ind i en bestemt, fremtidig anvendelse – men, der er alligevel rige muligheder.

Man forsøger i øjeblikket i hele verden at bygge en kvantecomputer, som netop er afhængig af superpræcis overførsel af signaler mellem dens forskellige dele.

Et andet felt indenfor kvanteforskningen handler om sensorer, der fx kan måle de allermindste, biologiske fluktuationer i vores egen krop – også her er signaloverførsel afgørende.

Men Xiang Xi og Albert Schliesser er lige nu mest optaget af at undersøge mulighederne endnu mere.

»Lige nu vil vi gerne eksperimentere med metoden for at se, hvad vi kan gøre med den. Vi vil som eksempel gerne bygge mere komplekse strukturer og se, hvordan vi kan få fononer til at bevæge sig rundt på dem, eller bygge strukturer, hvor vi får fononer til at støde sammen som biler i et vejkryds. Det vil give os en bedre forståelse af, hvad der i sidste ende er muligt, og hvilke nye anvendelsesmuligheder der er,« siger Albert Schliesser. Som de siger: ”Grundforskning handler om at producere ny viden”.