Pludselig blev kvantefysik lidt mere virkeligt: Nu kan man skabe sammenfiltring efter behov

Kvantefysik udfordrer ofte den klassiske forståelse af, hvordan verden fungerer, og sammenfiltring - på engelsk entanglemnet - er et af dens mest fascinerende fænomener. Denne "spooky action at a distance", som Albert Einstein berømt kaldte det, har forundret forskere i årtier, men rummer også nøglen til revolutionerende teknologier som kvantecomputere og kvantekommunikation.

Et forskerhold ledet af Peter Lodahl ved Københavns Universitet har for nylig gjort et markant gennembrud på dette område. Deres arbejde med deterministisk sammenfiltring muliggør nemlig, at sammenfiltrede partikler kan skabes efter behov med høj præcision, kan åbne nye døre til teknologiske fremskridt inden for kvantecomputere.

"Vores arbejde med deterministiske enkeltfoton-kilder har gjort os kendte, og nu tager vi det næste skridt med sammenfiltringsteknologi. Dette er virkelig et gennembrud, der viser, at vi kan skabe deterministisk sammenfiltring. Det åbner en meget ressourceeffektiv vej til skalerbare fotoniske kvantecomputere og nye muligheder for kvante-repeaters hen imod et kvanteinternet, der udnytter flerfoton-sammenfiltring som en robust metode til at kode kvanteinformation," forklarer Peter Lodahl, professor og gruppeleder for Quantum Photonics Group ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet; CEO for Center of Excellence for Solid-state Quantum Simulators for Biochemistry (Solid-Q), Københavns Universitet; og grundlægger af Sparrow Quantum ApS.

Motoren bag kvanteteknologi

Sammenfiltring er kernen i alle kvanteteknologier, og især i kvantecomputere, hvis potentiale rækker langt ud over, hvad klassiske computere kan. Sammenfiltring refererer til en mystisk forbindelse mellem to partikler – som fx to fotoner – der forbliver forbundet, uanset hvor langt fra hinanden de er. Når én partikel påvirkes, reflekterer dens sammenfiltrede partner hurtigt denne ændring, selvom den er lysår væk.

"For at forstå konceptet sammenfiltring, kan man forestille sig to terninger. I den klassiske verden har resultatet af at kaste én terning ingen indflydelse på den anden. Men i kvanteverdenen, hvor terningerne er sammenfiltrede, vil det at kaste en sekser med den ene terning automatisk betyde at den anden terning også bliver en sekser – uanset afstanden mellem de to terninger."

I modsætning til de bits, som enten er 0 eller 1, i de klassiske computere vi kender, har kvantecomputere qubits - kvantebits - der kan eksistere i flere tilstande samtidigt, skal to qubits i kvantecomputere helst også være sammenfiltrede. Den egenskab gør det nemlig muligt for kvantecomputere at behandle komplekse beregninger meget hurtigere end traditionelle computere.

"At skabe og kontrollere sammenfiltrede partikler har altid været en af de største udfordringer i kvanteforskning. Sammenfiltring blev traditionelt skabt på en probabilistisk måde - altså baseret på sandsynlighed - hvilket betød, at sammenfiltringen ikke var garanteret hver gang, hvilket betød spild af både energi og ressourcer."

Her skiller de nye resultater fra Peter Lodahls og hans team sig ud. De har udviklet en metode til at skabe deterministisk sammenfiltring, der sikrer, at partikler sammenfiltres hver gang, effektivt og præcist.

"Den her deterministiske - målrettede - sammenfiltring, vi nu har opnået, bryder de mulige grænser for sammenhæng i klassiske systemer," forklarer Peter Lodahl. "Derfor er det et stort skridt fremad i at kunne bygge en rigtig kvantecomputer. Vi har arbejdet på det i mange år, og nu kan vi levere teknologi, der kan gøre en stor forskel - både akademisk og kommercielt."

Videnskaben bag gennembruddet

At opnå deterministisk sammenfiltring indebærer at manipulere interaktionen mellem lys – fotoner – og stof på kvanteniveau. Peter Lodahls hold gjorde det ved at placere og indlejre en enkeltfoton-kvanteemitter i en fotonisk krystalbølgeleder. Det gør det muligt for dem at skabe tofoton-interaktioner og skabe sammenfiltrede fotoner med høj effektivitet.

"En kvanteemitter kan i den situation fysisk betragtes som et simpelt atom-lignende system, der udsender lys i små pakker kaldet fotoner. Når to fotoner interagerer med den emitter, bliver de sammenfiltrede, hvilket betyder, at deres kvantetilstande nu er forbundet. Alternativt kan et elektronspin inde i kvanteprikken bidrages til at skabe foton-foton-sammenfiltringen. Vi har nu skabt begge de muligheder på vores fotonchip, og har dermed samtdig skabt en større diversitet og fleksibilitet i vores tilgang."

Processen, selvom den er kompleks, fungerer på en meget effektiv og energibesparende måde, hvilket gør det muligt for skabe sammenfiltringen efter behov.

"Kvanteteknologi handler om at skabe de her sammenfiltringer, som er essentielle for kvantecomputere. Vores forskning har fokuseret på at skabe høj-kvalitets - deterministiske lyskvanter - fotoner til dette formål. Det er en teknologi, der gør kvantecomputere meget mere effektive og åbner for nye og mere skalerbare løsninger," forklarer Peter Lodahl.

En af de vigtigste aspekter ved gennembruddet er valideringen af systemer gennem den såkaldte Bell test, en grundlæggende test inden for kvantefysik, der beviser, at sammenfiltring eksisterer. John S. Bells teori viser, at hvis partikler er sammenfiltrede, kan deres opførsel ikke forklares via fysikkens klassike love. I stedet udviser de kvantekorrelationer, der trodser den logik.

"Når to partikler er sammenfiltrede, betyder det, at de påvirker hinanden øjeblikkeligt. For at bevise at dette sker, bruger vi Bell test, som viser, at disse partikler er koblet på en måde, der ikke kan forklares ved klassisk fysik. Kvantefysik bryder Bells ulighed og udgør dermed et tydeligt matematisk bevis på, at disse partikler kommunikerer på en kvantemekanisk måde," uddyber Peter Lodahl.

To usynlige kræfter

Kvantesammenfiltring vil nok for de fleste virke både abstrakt og vanskelig at forstå, men Peter Lodahl mener, at det kan være nyttigt at sammenligne det med noget, vi alle kender: tyngdekraft.

"Vi tror, at vi forstår tyngdekraften, bare fordi vi kender dens i virkeligheden ret mystiske virkninger, og det samme gælder kvantefysik. Vi kan ikke se fotoner med det blotte øje, men vi kan måle deres opførsel præcist. At teste fotoner og deres kvanteegenskaber er baseret på principper, der ligner klassisk fysik, men involverer langt mere komplekse og uudforskede mekanismer," forklarer han.

Ligesom tyngdekraften, der udøver sin tyngende kraft usynligt og hurtigt, forbinder kvantesammenfiltring partikler over store afstande på måder, der trodser vores intuitive forståelse af tid og rum.

"Men det virker rent faktisk. Og betydnigen af sammenfiltring rækker langt ud over bare at være akademisk interessant. Med deterministisk sammenfiltring kan effektiviteten og skalerbarheden af kvantecomputere øges betydeligt."

Uhackbar kommunikation

Det er takket være sammenfiltring, at kvantecomputernes bits - qubits - i modsætning til klassiske computere kan være i flere tilstande samtidigt via superposition. Netop dette større mulighedsrum giver kvantecomputere evnen til at løse langt mere komplekse problemer markant hurtigere end traditionelle systemer.

"Vores arbejde med sammenfiltringsteknologi er et stort skridt fremad. Vi har nu formået at skabe sammenfiltrede fotoner, og det gennembrud vil i høj grad påvirke udviklingen af fremtidens kvantecomputere. Teknologien muliggør systemer, der er meget mere ressourceeffektive og meget tættere på anvendelser i den virkelige verden," bemærker Peter Lodahl.

Udover til kompicerede beregninger er sammenfiltring også afgørende for kvantekommunikation, hvilket muliggør meget sikre kommunikationsnetværk. Kvantesammenfiltring sikrer nemlig, at ethvert forsøg på at aflytte kommunikationen forstyrrer sammenfiltringen og afslører tilstedeværelsen af en tredjepart.

Kvanteteknologi på markedet

Alene det nye akademiske gennembrud er bemærkelsesværdigt, men Peter Lodahls ambitioner går videre. Ud over sin forskning er han også grundlægger af Sparrow Quantum, et firma, der sigter mod at bringe kvanteteknologier ud i den kommercielle verden.

"Jeg har også startet Sparrow Quantum, og det har taget fart. Jeg flytter mig nu fuldtids over i virksomheden, som allerede har 25 ansatte. Vi forventer at vokse betydeligt, og næste år planlægger vi at ansætter yderligere 15 personer," forklarer Peter Lodahl.

Sparrow Quantum specialiserer sig i at udvikle fotonisk kvantehardware med fokus på de deterministiske fotonkilder, der bliver nogle af de kritiske komponenter til fremtidige kvantecomputersystemer. Virksomheden gør allerede indtryk i kvanteteknologiindustrien og har dannet strategiske partnerskaber med andre nøgleaktører på området, såsom Orca Computing i Storbritannien, der integrerer Sparrow Quantums teknologi i deres fotoniske kvantecomputere.

"Vi har allerede etableret strategiske partnerskaber, herunder med Orca Computing i Storbritannien, som bygger fotoniske kvantecomputere. Vores teknologi bruges i deres systemer, og en vigtig del af vores strategi er at samarbejde med andre virksomheder for at skabe den bedste teknologi og de mest effektive løsninger," bemærker Peter Lodahl.

Fremtiden for kvanteteknologi

Samtidig med at Sparrow Quantum vokser, vokser også potentialet for kvanteteknologi til at omforme industrier fra computing til kommunikation. Peter Lodahl mener, at vi kun lige er begyndt at kradse i overfladen af, hvad kvanteteknologi kan opnå.

"Kvanteteknologi er ikke længere noget, der kun findes i laboratorier. Det er allerede ude i den virkelige verden, og vi ser flere og flere sammenhænge, hvor man bruger kvantecomputere. Vi arbejder på at udvide vores teknologi, så den kan bruges i endnu flere sammenhænge, og vi forventer, at kvanteteknologi bliver en integreret del af mange industrier i fremtiden," siger han.

Med gennembrud som deterministisk sammenfiltring synes fremtiden for kvanteteknologi ikke kun lys, men også uundgåelig, efterhånden som kvantemekanikken fortsætter med at skubbe grænserne for videnskab og teknologi.

"Vi står på kanten af en teknologisk revolution drevet af den mærkelige og fascinerende verden af kvantefysik," afslutter Peter Lodahl.