Elektroner som snurrar åt höger och vänster samtidigt. Partiklar som förändrar sina tillstånd tillsammans, trots att de är åtskilda av enorma avstånd. Intrigerande fenomen som dessa är helt vanliga i kvantfysikens värld. Forskare vid TUM Garching campus använder dem för att bygga kvantdatorer, högkänsliga sensorer och framtidens internet.
"Vi kyler ned chipet till bara några tusendelar av en grad över absoluta nollpunkten - kallare än i yttre rymden", säger Rudolf Gross, professor i teknisk fysik och vetenskaplig chef för Walther Meissner Institute (WMI) vid forskningscampuset Garching. Han står framför en känslig enhet med guldfärgade skivor sammankopplade med kablar:Kylsystemet för ett speciellt chip som använder kvantfysikens bisarra lagar.
Sedan ett tjugotal år tillbaka har forskare vid WMI arbetat med kvantdatorer, en teknik baserad på en vetenskaplig revolution som inträffade för 100 år sedan när kvantfysiken introducerade ett nytt sätt att se på fysik. Idag fungerar det som grunden för en "ny era av teknologi", som prof. Gross kallar det.
För att forma denna framväxande era undersöker forskare vid Garching sätt att använda kvantfysikens regler, såväl som de associerade riskerna och de potentiella fördelarna med kvantteknologi för samhället.
"Vi möter kvantfysik varje dag", säger Gross. Till exempel när vi ser en spishäll som lyser rött. År 1900 hittade Max Planck formeln för den strålning som kroppar med olika temperaturer avger. Detta innebar att han var tvungen att anta att det utsända ljuset består av små energipaket, kallade kvanta. Kvantfysiken fortsatte att utvecklas under åren som följde, vilket i grunden förändrade vår förståelse av mikrokosmos. Ny teknik utnyttjade de speciella egenskaperna hos atomer och elektroner, till exempel lasern, magnetresonanstomografin och datorchipset.
Teknikerna för denna första kvantrevolution kontrollerar stora mängder partiklar. Under tiden kan fysiker också manipulera enskilda atomer och fotoner och kan producera föremål som lyder kvantfysikens lagar. "Idag kan vi skapa skräddarsydda kvantsystem", säger Gross. Kvantfysikens principer, för vilka det ännu knappt finns några tekniska realiseringar, kan användas i denna så kallade andra kvantrevolution.
Den första av dessa principer är superposition:Ett kvantobjekt kan anta parallella tillstånd, som utesluter varandra i den klassiska referensramen. Till exempel kan en elektron rotera både åt höger och åt vänster samtidigt. De överlagrade tillstånden kan också interagera ömsesidigt, på samma sätt som korsande vågor som antingen förstärker varandra eller tar ut varandra – det här är den andra principen:kvantinterferens.
Det tredje fenomenet är intrassling. Två partiklar kan ha ett gemensamt kvanttillstånd, även om de är belägna kilometer från varandra. Till exempel, om vi mäter polariseringen av en given foton, så fastställs mätresultatet för den intrasslade partnern omedelbart som om utrymmet mellan de två fotonerna inte fanns.
Hur exotiska dessa koncept än låter, är de lika viktiga för tekniska framsteg. Klassiska datorer har en nackdel:de behandlar information sekventiellt, ett steg i taget. "Inte ens superdatorer som ständigt växer snabbare kommer att kunna bemästra alla uppgifter som finns till hands", säger Gross, eftersom komplexiteten i vissa uppgifter kan öka drastiskt.
Till exempel ökar antalet möjliga resvägar mellan flera städer för varje potentiellt stopp. Det finns sex möjliga rutter mellan fyra städer, medan antalet för 15 städer är mer än 40 miljarder. Därför blir uppgiften att hitta den kortaste vägen mycket snabbt överväldigande komplex, till och med olöslig, med hjälp av klassiska datorer inom en rimlig tidsperiod.
Superpositionsprincipen gör uppgiften mycket lättare för kvantdatorn:Den använder kvantbitar, eller qubits, som kan bearbeta bitvärdena 0 och 1 samtidigt istället för sekventiellt. Ett stort antal qubits, kopplade till varandra genom kvantinterferens eller intrassling, kan bearbeta ett ofattbart stort antal kombinationer parallellt och kan därmed lösa mycket komplexa uppgifter mycket snabbt.
Tillbaka till WMI:Här hittar vi silvervakuumkammare där metallatomer är exakt avsatta på handstora kiselwafers. De mycket rena metallskikten som bildas på dessa wafers utgör grunden för små kretsar. När underkylning gör kretsarna supraledande svänger elektriciteten de bär med olika frekvenser som motsvarar olika energinivåer. De två lägsta nivåerna fungerar som qubit-värdena 0 och 1. Chipset i ett av dessa kylsystem innehåller sex qubits, tillräckligt för forskningsändamål.
Kvantdatorer behöver dock flera hundra qubits för att lösa praktiska problem. Dessutom bör var och en av qubitarna kunna utföra så många beräkningssteg som möjligt för att realisera algoritmer som är relevanta för praktiska ändamål. Men qubits förlorar sin överlagring mycket snabbt, även efter den minsta störning, som materialdefekter eller elektrosmog – "ett enormt problem", säger Gross.
Komplexa korrigeringsprocedurer måste sedan användas för att korrigera dessa fel, men dessa processer kommer att kräva tusentals ytterligare qubits. Experter förväntar sig att detta kommer att ta många år att uppnå. Icke desto mindre kan initiala applikationer redan fungera när antalet qubit-fel reduceras, om de inte elimineras.
"En viktig felkälla är oönskad ömsesidig interaktion mellan qubits", säger Dr. Kirill Fedorov från WMI. Hans botemedel:Fördela qubits över flera marker och trassla in dem med varandra. I källaren på WMI pekar Fedorov på ett rör med diametern på en trädgren som leder från en kvantdator till nästa. Rören innehåller mikrovågsledare som sätter qubits i ömsesidig interaktion med varandra. Detta tillvägagångssätt kan göra det möjligt för tusentals qubits att arbeta tillsammans i framtiden.
Eva Weig, professor i nano- och kvantsensorteknologi, har ett annat perspektiv på denna brist på perfektion. "Att kvanttillstånd reagerar så känsligt på allt kan också vara en fördel", säger hon. Även de minsta magnetiska fält, tryckvariationer eller temperaturfluktuationer kan mätbart förändra ett kvanttillstånd. "Detta kan göra sensorer känsligare och mer exakta och göra dem kapabla till bättre rumslig upplösning", säger Weig.
Hon vill använda relativt stora föremål som mekaniska kvantsensorer. Till och med nanostrukturer som består av miljontals atomer kan föras in i sitt kvantgrundtillstånd, vilket forskare vid University of California först visade 2010. Eva Weig bygger vidare på upptäckten. "Jag vill konstruera lättstyrda nanosystem för att mäta de minsta krafterna."
I laboratoriet presenterar fysikern ett chip som hennes team gjort i sitt eget renrum. På den finns vad hon kallar "nano-gitarrer", osynliga för blotta ögat:Små strängar, 1 000 gånger tunnare än ett människohår, som vibrerar vid radiofrekvens. Weigs team försöker sätta dessa nano-oscillatorer i ett definierat kvanttillstånd. Sedan skulle strängarna kunna användas som kvantsensorer, till exempel för att mäta krafterna mellan enskilda celler.
Professor i kvantnätverk Andreas Reiserer vill använda en annan aspekt av kvantsystem för att underlätta ett kvantinternet:En partikels kvanttillstånd förstörs när den mäts, vilket innebär att informationen den innehåller bara kan läsas ut en gång. Således skulle varje försök till avlyssning oundvikligen lämna spår efter sig. Om det inte finns några sådana spår kan en kommunikation sedan litas på. "Kvantkryptografi är kostnadseffektiv och kan redan idag stödja avlyssningssäker kommunikation", säger han.
Men omfattningen av denna teknik är fortfarande begränsad. Enligt Reiserer är fiberoptiska element idealiska för att transportera kvantinformation med hjälp av ljus. Men glaset absorberar en del av ljuset för varje kilometer det färdas. Efter cirka 100 kilometer är kommunikation inte längre möjlig.
Reiserers team forskar därför om vad som kallas kvantrepeater, lagringsenheter för kvantinformation som ska placeras utmed det fiberoptiska nätverket ungefär var 100:e kilometer. Om det är möjligt att trassla in var och en av kvantrepeterarna med sin omedelbara granne, kan information som skickas vidarebefordras utan förlust. "På detta sätt hoppas vi kunna korsa globala avstånd", säger Reiserer. "Då skulle det kunna vara möjligt att länka enheter överallt i världen för att bilda en 'kvantsuperdator'."
Det München-baserade teamet vill miniatyrisera kvantrepeaters, förenkla dem och göra dem lämpliga för massproduktion genom att placera dem på ett datorchip. Chipet innehåller en optisk fiber i vilken erbiumatomer har bäddats in. Dessa atomer fungerar som qubits som kan buffra informationen. Men, medger Reiserer, detta kräver kylning till så lite som fyra grader Kelvin (dvs ungefär -269°C) och tillägger att mycket mer forskning kommer att krävas innan praktisk lönsamhet uppnås.
Kvantteknologiernas ankomst i vardagen innebär också vissa risker. En felkorrigerad kvantdator kan knäcka dagens konventionella krypteringsprocedurer och kan till exempel äventyra internetbanksäkerheten. "Den goda nyheten är att det redan finns nya krypteringsprocedurer som är säkra mot kvantdatorattacker", säger Urs Gasser, professor i offentlig politik, styrning och innovativ teknik och chef för "Quantum Social Lab" på TUM. Gasser, en juridisk forskare, tillägger att övergången kommer att ta flera år, vilket gör det nödvändigt att komma igång nu.
"Kostnaden för att komma för sent kan till och med överstiga kostnaden för att vara försenad med artificiell intelligens", varnar Gasser. Quantum Social Lab fokuserar på de etiska, juridiska och samhälleliga effekterna av framväxande kvantteknologier. Detta inkluderar till exempel frågan om hur man kan integrera människor i debatten kring den nya tekniken, eller om inte bara rika länder ska kunna planera sina städer bättre tack vare kvantoptimering.
"Den andra kvantrevolutionen är ett paradigmskifte som kommer att få en långtgående social, politisk och ekonomisk inverkan", säger professor Gasser. "Vi måste forma denna revolution i samhällets bästa."
Tillhandahålls av Technical University Munich
