Internettet kan få kvantefart med lys gemt som lyd

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 ny forskningsartikel 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 fx 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 – og 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.