Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet

Kvanteforskning på SCIENCE

Kvanteteknologier vil i løbet af de kommende år revolutionere vores dagligdag – og på måder, som kan være svære helt at begribe. På Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet (KU SCIENCE) findes nogle af verdens fremmeste kvanteteknologiske forskningsmiljøer fordelt på fem institutter: Niels Bohr Institutet, Institut for Matematiske fag, Datalogisk Institut, Biologisk Institut og Kemisk Institut.

Kvantecomputerens fænomenale regneevner kan få stor indflydelse på alt fra grøn omstilling til udvikling af mere effektive solceller.

Centre og grupper

På SCIENCE arbejder forskerne i grupper med forskellige aspekter af kvantemekaniske tilstande.

Forskningen foregår på 5 institutter:

Kvanteteknologiens store potentiale

Kvanteteknologi dækker over tre teknologier: Kvantesensorer, kvantekommunikation og kvantecomputere, herunder kvantesimulatorer.

Kvantesensorer hjælper os med at udnytte vores ressourcer bedre.
Kvantekommunikation understøtter, at vi kan kommunikere, uden at vi kan hackes, og uden at kommunikationskoder kan brydes.
Kvantecomputere kan levere computerkraft af en enorm styrke, så meget komplekse systemer fx biologiske eller medicinske systemer, kan simuleres fra grunden.

KU SCIENCE råder over verdensførende forskningsfaciliteter og ekspertise inden for de tre områder af kvanteteknologien.

Tidshorisonten for udvikling og anvendelse af de tre kvanteteknologier varierer. Såkaldte ”near term” kvantecomputere og specielt kvantesimulatorer har allerede på kort og mellemlangt sigt kæmpe potentiale til at kunne revolutionere og skabe værdi inden for grøn omstilling, sundhed og cyber- og informationssikkerhed.

Grøn omstilling

Bæredygtige materialer og kemi: Den grønne revolution har brug for innovation inden for materialevidenskab og kemi, hvis det skal lykkes for os at skabe en bæredygtig omstilling. Det kan ske gennem mere kraftfulde simuleringer af materialers egenskaber baseret på kvantehardware, på den måde får vi større forståelse for materialernes kvanteegenskaber, som vi kan udnytte til at bygge fx bedre solceller og katalysatorer
Effektiv CO₂-fangst: Udviklingen af effektive katalysatorer, der skal bruges til at implementere indfangning af kulstof, vil på en ny skala muliggøre en aktiv reduktion af CO₂-indholdet i atmosfæren.
Færre drivhusgasser fra kunstgødning: En stor del af verdens drivhusgasser og forbrug af naturgas stammer fra produktion af kunstgødning, der er nødvendig for at producere nok fødevarer til verdens befolkning. Kvantesimulering af den naturlige produktionsproces af ammoniak centreret omkring FeMoco-molekylet gør det muligt for os at øge fødevareproduktionen med færre udledninger.
Energieffektivitet: Kvantecomputeren kan optimere en lang række udregninger på energiområdet, så solceller, energinet mv.udnyttes optimalt.
Optimering af transporten: Kvantecomputeren kan på helt nye måder løse det klassiske optimeringsproblem ”traveling salesman” for transport- og logistikbranchen, hvor en tur med fx 10 stop kan have over tre millioner mulige ruter. Gevinsten er både CO₂-reduktioner samt teknisk innovation og modernisering på transportområdet.

Sundhed

Ny diagnostik: Kvantesensorer kan måle svage signaler fra kroppen, der ellers kun er adgang til kirurgisk. Det kan give os helt nye muligheder for diagnosticering af sygdomme i hjertet og hjernen.
Nye behandlingsmuligheder: En kvantecomputer kan løse problemer med en regnekraft, der er millioner af gange stærkere end den bedste supercomputer, fx i simulering af
- makromolekyler, hvilket vil gøre det muligt at forstå og behandle sygdomme som Alzheimer og ALS.
- forskellige stoffers egenskaber og kemiske reaktioner med en hastighed, der gør, at udviklingen af medicin og nye vacciner kan foregå på en brøkdel af den tid, der bruges i dag.
Hurtig gensekventering: Med kvantecomputerens håndtering af enorme datamængder, vil man også hurtigere kunne kortlægge genetisk materiale (sekventering). Under COVID-pandemien var sekventering afgørende for at kunne inddæmme smitten via overvågning af nye mutationer og smitteopsporing.

Cyber- og informationssikkerhed

Sikker kommunikation: Kvantekommunikation kan revolutionere dansk forsvar mod cyberangreb og skabe ubrydelig kryptering fx i kommunikationen mellem ministerier og sikre kritisk infrastruktur.
Sporing og navigation: Kvantesystemer kan forbedre GPS-baserede navigationssystemer, og kvantesensorer kan spore fjendtlige våben, fly eller droner, forudsige de mindste ændringer i jordens overflade og dermed sende tidlige varsler om jordskælv, tsunamier mv.

Kvante- og klassisk fysik - hvad er forskellen?

Kvantefysikken beskriver, hvordan naturen opfører sig på de allermindste skalaer. Atomer, elektroner og fotoner – de mindste bestanddele af lys - er nogle af de elementer forskerne arbejder med.

Kvantefysikkens historie har sin start i slutningen af 1800-tallet og begyndelsen af 1900-tallet. Den klassiske fysik fungerede fint på de store skalaer, men når man nåede ned på tilstrækkelig lille skala, faldt de ting, man troede man vidste, fra hinanden.

Superposition - to steder på samme tid

På de mindste skalaer opfører naturen sig meget anderledes end i den klassiske fysik. I kvantefysikkens verden kan ting være to steder på en gang. De fænomener vi iagttager kan kun beskrives ved, at partikler kan befinde sig i en superposition – som om de befinder sig i mere end én position på samme tid. Eller som om et atom er i mere end én energitilstand på samme tid.

Kvantemekanisk sammenvikling (quantum entanglement), fremkommer når to eller flere partiklers tilstande beskrives ved en superposition, så de begge fx kan være forkellige afstande til et bestemt sted. Entanglement medfører, at når man måler den ene partikels sted sker der øjeblikkeligt en lokalisering af den anden partikel, selv over store afstande, og dermed hurtigere end lysets hastighed – som er den hurtigst mulige hastighed noget signal kan udbrede sig med, i følge Einsteins relativitetsteori.

Kvanteteknologier kan ændre vores verden radikalt

Superpositioner og entanglede tilstande kan udnyttes til mange forskellige ting, hvoraf den mest kendte p.t. nok er kvantecomputeren. Men der er mange andre anvendelser, fx kan kvantetilstande anvendes til at lave ultrapræcise målinger og til at lave en særlig, ubrydelig kryptering af information. Forskerne er også i gang med at skabe grundlaget for et kvante-internet, som byder på enormt stor beregningskapacitet, idet man kombinerer kræfterne fra flere forskellige kvantecomputere. Dette kvanteinternet kommer til at få brug for den ubrydelige kryptering, så det er afgørende, at kryptering, net og kvantecomputeres udvikling følges ad.

Der er nogle bestemte opgaver, som en kvantecomputer er mest velegnet til. Det gælder de opgaver, hvor kompleksiteten er stor, og man har brug for at regne på mange parallelle udfald samtidig. Det vil fx være en uoverkommelig opgave for en konventionel computer at holde styr på alle elektronerne og de kemiske bindinger i et molekyle. Hvis man kunne dét, ville man kunne forudsige kemiske strukturer og processer med anvendelser i medicin, som er helt målrettet den enkelte patient. Konventionelle supercomputere presses i dag til det yderste for at lave vejrsimuleringer eller andre videnskabelige simuleringer, fx af stjernedannelse, havstrømme eller pandemier. Her er det håbet, at kvantecomputerens evne til at håndtere store datamængder og lave parallelle beregninger kan give os meget hurtigere og mere præcise resultater.

Det står stadig meget åbent, præcis hvilke omvæltninger de kvanterelaterede teknologier vil medføre, men det ser mere og mere ud til, at der bliver tale om gennemgribende forandringer af vores samfund.