Forskere ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet har udviklet en ny måde at skabe såkaldt kvantehukommelse: En lille tromme kan gemme data sendt med lys i dens lydvibrationer, for siden at sende data videre med nye lyskilder, når det igen skal bruges. Resultaterne understreger at en mekanisk hukommelse for kvantedata kan være strategien, der baner vej for et ultra sikkert internet med utrolige hastigheder.

Under Niels Bohrs gamle arbejdskontor findes en kælder, hvor spredte borde står fyldt med små spejle, lasere og alverdens apparater flettet sammen af ledninger og masser af tape. Det ligner lidt et projekt, som forældre forgæves forsøger at få deres børn til selv at rydde op.

Når det, for det utrænede øje, kan være svært at gennemskue at disse borde i stedet gemmer på en række verdensførende forskningsprojekter, så er det fordi ”det vigtige” sker i en verden så mikroskopisk, at end ikke Newtons naturlove kan nå den. Det er her Niels Bohrs kvantefysiske arvtagere udvikler de nyeste kvanteteknologier.

Et af projekterne skiller sig ud ved den – i hvert fald for fysikere – utrolige detalje at kvantetilstanden bliver opnået af en dims, der er synlig med det blotte øje. Kvantetrommen er en lille membran lavet af et keramisk, glas-agtigt materiale med huller spredt i et sirligt mønster langs kanterne.

Når trommen med slaget fra et laserlys sættes i gang med at vibrere, så er den i stand til at gøre det så hurtigt og uforstyrret, at kvantemekanikken kommer i spil. Den egenskab har for længst vækket opsigt ved at åbne for en række kvanteteknologiske muligheder.

Nu har et samarbejde på tværs af instituttets kvanteområder vist at trommen også kan få en nøglerolle i fremtidens netværk af kvantecomputere. Som en slags moderne alkymister, har forskerne skabt en ny form for ”kvantehukommelse” ved at omsætte lyssignaler til lydvibrationer.

I en forskningsartikel, der netop er publiceret, har forskerne bevist, at kvantedata fra en kvantecomputer, der sendes afsted som lyssignaler – fx i et fiberoptisk kabel som hurtige internetforbindelser allerede bruger i dag – kan gemmes som vibrationer i trommen og videresendes.

Fra tidligere eksperimenter kender forskerne membranens evner til at forblive i den ellers skrøbelige kvantetilstand, og de mener på den baggrund, at trommen bør kunne modtage og videresende kvantedataet uden det ”dekohærerer”, dvs mister sin kvantetilstand, når kvantecomputerne står klar.

– Det åbner for store perspektiver den dag kvantecomputere for alvor kan det, som vi forventer de kommer til. Kvantehukommelse bliver efter alt at dømme fundamental for at sende kvanteinformationer over afstand. Så det vi har udviklet er en afgørende brik i selve grundlaget for et fremtidigt internet med kvantefart og kvantesikkerhed, siger postdoc Mads Bjerregaard Kristensen fra Niels Bohr Institutet, som er førsteforfatter til den nye forskningsartikel.

Ultra hurtigt, ultra sikkert

Skal man sende informationer mellem to kvantecomputere over en vis afstand – eller mange i et kvanteinternet – så vil signalet hurtigt blive overdøvet af støj. Mængden af støj i et lyskabel stiger nemlig eksponentielt jo længere kablet er og til sidst kan data ikke længere afkodes.

Det klassiske internet og andre større computernetværk løser dette støjproblem ved at forstærke signalet i nogle små stationer undervejs på rejsen, men skal kvantecomputere gøre brug af den metode, så må de først oversætte dataet til almindelig binære talsystemer, som dem en almindelig computer bruger.

Men det dur ikke. Netværket ville blive langsomt, og man ville samtidigt risikere at blive udsat for hackerangreb, fordi klassisk databeskyttelse har dårlige odds i en fremtid med kvantecomputere.

– Vi håber i stedet kvantetrommen vil kunne overtage den opgave. Den har vist sig meget lovende, fordi den er super velegnet til at modtage og gensende signaler fra en kvantecomputer. Så målet er at en forbindelse mellem kvantecomputere kan forlænges af stationer, hvor kvantetrommer modtager og gensender signalerne, og på den måde undgår støjen, mens data forbliver i kvantetilstand, siger Mads Bjerregaard Kristensen og fortsætter:

– På den måde vil kvantecomputernes hastigheder og fordele eksempelvis i forhold til visse komplekse beregninger udvides til også at gælde i netværk og internet, da de netop bliver opnået ved udnytte egenskaber som superposition og sammenfiltring, der kun findes i kvantetilstande, siger han.

Lykkes det vil stationerne også kunne forlænge kvantesikrede forbindelser, hvis kvantekoder trommen også vil kunne forlænge. De sikre signaler ville således kunne sendes over afstande, rundt i et kvantenetværk eller over Atlanten i et fremtidens kvanteinternet.

Fleksibel og praktisk – måske banebrydende som kvante-RAM

Der forskes andre steder i et alternativ, hvor en databærende lyskilde rettes mod et atomsystem og midlertidigt forskyder elektronerne i atomet, men metoden har sine begrænsninger.

– Der er grænser for, hvad man kan gøre ved et atomsystem, fordi vi ikke selv kan designe atomer eller frekvensen af det lys, de kan interagere med. I vores relativt ”store” mekaniske system er der mere fleksibilitet. Vi kan fifle med det og justere, så hvis nye opdagelser ændrer spillereglerne, er der gode chancer for at kvantetrommen kan tilpasses, forklarer professor Albert Schliesser, der er medforfatter til forskningsartiklen.

– På godt og ondt er det i højere grad vores evner som forskere, der sætter grænserne for, hvor optimalt det fungerer, pointerer han.

Trommen er det seneste og mest seriøse bud på en mekanisk kvantehukommelse, fordi den kombinerer en række egenskaber: Trommen har lavt signaltab – dvs datasignalets styrke bevares godt. Den har også den store fordel, at den kan håndtere alle lysfrekvenser, også den frekvens, som bruges i de fiberoptiske lyskabler, som det moderne internet er baseret på.

Kvantetrommen er også praktisk, fordi lagring og læsning af data kan ske når som helst, behovet er der. Og så gør den rekordlange hukommelsestid på 23 millisekunder, som forskerne allerede har opnået, det langt mere sandsynligt, at teknologien en dag kan blive en byggesten til systemer af kvantenetværk og til hardware inde selve kvantecomputeren.

– Vi er tidligt ude med den her forskning. Kvanteberegning og -kommunikation er stadig i en tidlig udviklingsfase, men med den hukommelse, som vi har opnået, kan man spekulere i, om kvantetrommen en dag vil bruges som en slags kvante-RAM, det vil sige en midlertidige hukommelse for kvanteinformation. Det ville være banebrydende, siger professoren.

Fakta: Sådan fungerer det

Inden det databærende lyssignal rammer kvantetrommens membran, sørger en ”hjælpelaser” først for at membranens naturlige vibrationer, som kommer fra omgivelserne kommer under kontrol. Den stabiliserer membranen med et slag på trommen i lige præcis den frekvens, den bedst kan lide. Det kaldes resonans.

Når trommen resonerer med hjælpelaseren, er den meget følsom – og det gør den blandt andet i stand til at registrere det signal, som er gemt det databærende lys med kvantepræcision.

Når datalyset rammer bliver dets signal en del af trommens vibrationer, og der kan de stabilt bevares i en slags lydhukommelse, inden det sendes videre i en tredje laser, som skydes mod trommen og spejles videre ud i et kabel med data fra det oprindelige lyssignal kodet ind.

Fakta: Computere og kvantedata

En klassisk computer fungerer på samme måde som et stort netværk af kontakter, der kan være enten tændte eller slukkede. Systemerne kaldes binære på grund af de to tilstande, som udgør grundlaget for de beregninger, computeren udfører. Som perler på en kugleramme, former de tændte og slukkede kontakter mønstre i binære koder.

En kvantecomputer udfører beregninger med hjælp fra kvantemekanikken, og udnytter at dens ”kvantekontakter” – eller qubits, kan være i kvantetilstande, blandt andet superposition, hvor de er både tændte og slukkede på samme tid. Det tillader kvantecomputeren at håndtere store mængder information hurtigt på en måde, som klassiske computere ikke kan.

Kvantedata sendt med lyssignaler kan bibeholde sin kvantetilstand, så længe den er tilstrækkeligt uforstyrret, og Niels Bohr Institutets kvantetromme kan modtage signalerne og videresende dem uden at dette sker.

Fakta: Kvantesikrede forbindelser

Metoden går ud på at sende qubits af kvantedata i et ultrakort lyssignal: Et par sammenfiltrede photoner, der kan bruges skabe koder, som er praktisk talt ubrydelige.

Sådanne forbindelser sikrer også, at forsøg på at hacke sig adgang bliver afsløret, fordi en kvantelov siger, at når noget observeres, så ændrer det sig.

Fakta: Superposition og sammenfiltring

Naturens regelbog er anderledes i den kvantemekaniske verden. To tilstande fejer den almindelige verdens begrænsninger af banen og giver kvantecomputere utrolige kræfter.

Superposition: I kvantemekanikken tillader superposition at en partikel kan være i flere tilstande samtidigt, indtil det observeres. Fx kan en kvantebit (qubit) være både 0 og 1 på samme tid, indtil den måles og kollapser til en bestemt tilstand. Qubits udnytter superposition til at udføre flere beregninger parallelt.

Sammenfiltring: Einstein kaldte det ”spooky action at a distance”. To eller flere sammenfiltrede partiklers tilstande hænger tæt sammen. En ændring af tilstanden af en partikel vil øjeblikkeligt påvirke tilstanden af de partikler den er sammenfiltret med, uanset afstanden. Det en denne egenskab, der gør det muligt at skabe sikre forbindelser vha koder, der ikke kan afkodes uden en sammenfiltret partikel som nøgle. Tilstanden åbner desuden for udviklingen af kvanteteleportation, hvor informationen kan overføres uden direkte overførsel af partikler.