Speed til kvante-computeren

Et globalt internet har vi haft i årtier, men i fremtiden får vi nok også et globalt kvanteinternet.

Det vil gøre kommunikation mellem to kvantecomputere mulig – fx fra Hamborg til København. Selv om en ægte kvantecomputer endnu ikke helt er opfundet, arbejder mange forskellige forskergrupper verden over på at gøre ubrydelig kommunikation mellem dem mulig i en formentlig nær fremtid.

To af dem er postdoc Michael Zugenmaier og ph.d.-studerende Karsten B. Dideriksen på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet. De begyndte på deres eksperimentrækker i 2013 og i efteråret 2018 fik de endelig optaget en artikel med deres forskningsresultater i det videnskabelige tidsskrift Communications Physics.

Ny metode har lavpraktisk fordel

Det særlige ved Zugenmaiers og Dideriksens metode er, at de bruger udstyr, der i princippet fungerer ved normal stuetemperatur. Andet udstyr kan kun fungere ved temperaturer, der ligger få tusindedele af en grad over det absolutte nulpunkt på cirka -273,15 °C, fortæller Karsten B. Dideriksen, i et tætpakket laboratorium med måleudstyr i en kælder under det gamle Niels Bohr Institut på Blegdamsvej.

»De andre forskergruppers stærkt nedkølede udstyr fungerer i princippet væsentligt bedre end vores, men den kraftige nedkøling af udstyret er så teknisk kompliceret og økonomisk kostbar, at jeg tvivler på, at det er løsningen til at skabe verdens fremtidige kvanteinternet,« siger Karsten B. Dideriksen.

Der er altså nogle lavpraktiske fordele ved at kunne bruge udstyr, der virker ved stuetemperatur, og derfor er de to NBI-forskeres resultat vigtigt. Deres udstyr består af en lille glaskapsel, der indeholder cæsiumatomer på gasform. Glaskapslen er beklædt med en belægning, der gør, at atomerne forbliver i deres kvantetilstand, selv om de støder mod glasset tusindvis af gange.

0,00025 afgørende sekund

Hvordan kommunikation over et kvanteinternet kommer til at virke i praksis, er for kompliceret at beskrive her. Derfor holder vi os til et par af de videnskabelige og tekniske udfordringer, de to forskere har skullet overvinde i deres forsøgsopstilling.

Det gælder om at kunne sætte cæsiumatomerne i gassen i glasbeholderen i en bestemt kvantetilstand. Det sker ved at lyse på beholderen med en laser. På et givet tidspunkt rammes bare et enkelt af alle de mange cæsiumatomer på sådan en måde af laserlysstrålen, at atomet udsender et lysglimt, fordi det skifter til en anden tilstand.

En detektor uden for kapslen opfanger lysglimtet (der udgøres af en foton), og fordi det ikke er muligt at afgøre hvilket atom, der skifter tilstand, siger kvantemekanikken, at samtlige atomer i beholderen er hensat i samme kvantetilstand. Alle atomer ’samarbejder’ nu. Forskerne kalder det, at hele systemet er exciteret (anslået).

Det gør det muligt at gemme informationen – der indeholder data fra kvantecomputere – som de to forskere kan gendanne op til 0,00025 sekund senere ved at affyre en ny laserimpuls ind i kapslen. Det lyder som meget kort tid, men i Karsten B. Dideriksen og Michael Zugenmaiers kvanteoptiske verden er det et markant fremskridt.

Kan sende data gennem 50 km lyslederkabel

Som de første har de to forskere kunnet holde på informationen så længe ved normal stuetemperatur, og heri består deres gennembrud. De 0,00025 sekund svarer til en fjerdedel af en tusindedel af et sekund. På den tid kan et signal sendes igennem et lyslederkabel over 50 km. Det er måske nok til, at man kan begynde at sende kvantedata over større afstande.

Dog er Zugenmaier og Dideriksen bevidste om, at deres metode ikke er klar til produktion endnu – og måske heller aldrig bliver det. Indtil videre har de ved flere års ihærdigt arbejde efter trial and error-metoden udviklet og forbedret på forsøgsopstillingen, men spørgsmålet er, om der er mere at gøre herefter.

»Nu er vi nået frem til, at der stadigvæk er så meget støj i vores målinger, at detektoren opfanger for mange uvedkommende fotoner til at få et brugbart resultat i praksis, og spørgsmålet er, om det skyldes nogle tekniske udfordringer, vi kan gøre noget ved, eller om der er nogle fundamentale fysiske problemer, der gør videre fremskridt fysisk umulige. Her har vi mange udfordringer, ligesom alle andre grupper på Niels Bohr Institutet og alle andre i verden, der også arbejder med at bygge grundstenene til kvanteinternettet,« siger Karsten B. Dideriksen.