Former kvantealderens morgengry

Elektroner, der drejer til højre og venstre på samme tid. Partikler, der ændrer deres tilstand sammen, selvom de er adskilt af enorme afstande. Spændende fænomener som disse er helt almindelige i kvantefysikkens verden. Forskere på TUM Garching campus bruger dem til at bygge kvantecomputere, højfølsomme sensorer og fremtidens internet.

"Vi køler chippen ned til kun et par tusindedele af en grad over det absolutte nulpunkt - koldere end i det ydre rum," siger Rudolf Gross, professor i teknisk fysik og videnskabelig direktør for Walther Meissner Institute (WMI) på Garching forskningscampus. Han står foran en delikat udseende enhed med guldfarvede diske forbundet med kabler:Kølesystemet til en speciel chip, der udnytter kvantefysikkens bizarre love.

I omkring tyve år nu har forskere ved WMI arbejdet på kvantecomputere, en teknologi baseret på en videnskabelig revolution, der fandt sted for 100 år siden, da kvantefysikken introducerede en ny måde at se fysik på. I dag tjener det som grundlaget for en "ny æra af teknologi", som prof. Gross kalder det.

For at forme denne nye æra undersøger forskere ved Garching måder at udnytte kvantefysikkens regler såvel som de tilhørende risici og de potentielle fordele ved kvanteteknologi for samfundet.

Manipulation af individuelle atomer

"Vi møder kvantefysik hver dag," siger Gross. For eksempel når vi ser et kogepladebrænderelement, der lyser rødt. I 1900 fandt Max Planck formlen for den stråling, som legemer med forskellige temperaturer udsender. Det betød, at han måtte antage, at det udsendte lys består af bittesmå energipakker, kaldet kvanter. Kvantefysikken fortsatte med at udvikle sig i årene efter, hvilket fundamentalt ændrede vores forståelse af mikrokosmos. Nye teknologier udnyttede de særlige egenskaber ved atomer og elektroner, f.eks. laseren, magnetresonanstomografen og computerchippen.

Teknologierne i denne første kvanterevolution kontrollerer store mængder partikler. I mellemtiden kan fysikere også manipulere individuelle atomer og fotoner og kan producere objekter, der adlyder kvantefysikkens love. "I dag kan vi skabe skræddersyede kvantesystemer," siger Gross. Kvantefysikkens principper, som der endnu næppe er nogen teknologiske erkendelser for, kan bruges i denne såkaldte anden kvanterevolution.

Det første af disse principper er superposition:Et kvanteobjekt kan antage parallelle tilstande, som er gensidigt udelukkende i den klassiske referenceramme. For eksempel kan en elektron rotere både til højre og til venstre på samme tid. De overlejrede tilstande kan også indbyrdes interagere, svarende til skærende bølger, der enten forstærker hinanden eller udligner hinanden - dette er det andet princip:Kvanteinterferens.

Få fat i ufattelige fænomener

Det tredje fænomen er sammenfiltring. To partikler kan have en fælles kvantetilstand, selvom de er placeret kilometer væk fra hinanden. For eksempel, hvis vi måler polariseringen af ​​en given foton, så bliver måleresultatet for den sammenfiltrede partner øjeblikkeligt konstateret, som om rummet mellem de to fotoner ikke eksisterede.

Hvor eksotiske disse koncepter end kan lyde, er de lige så vigtige for tekniske fremskridt. Klassiske computere har en ulempe:De behandler information sekventielt, et trin ad gangen. "Ikke engang supercomputere, der konstant vokser hurtigere, vil være i stand til at mestre alle de opgaver, der er ved hånden," siger Gross, da kompleksiteten af ​​nogle opgaver kan øges drastisk.

For eksempel stiger antallet af mulige rejseruter mellem flere byer for hvert potentielt stop. Der er seks mulige ruter mellem fire byer, mens tallet for 15 byer er mere end 40 milliarder. Derfor bliver opgaven med at finde den korteste rute meget hurtigt overvældende kompleks, endda uløselig, ved at bruge klassiske computere inden for en levedygtig tid.

Superpositionsprincippet gør opgaven meget lettere for kvantecomputeren:Den bruger kvantebits, eller qubits, som kan behandle bitværdierne 0 og 1 samtidigt i stedet for sekventielt. Et stort antal qubits, forbundet med hinanden ved kvanteinterferens eller sammenfiltring, kan behandle et ufatteligt stort antal kombinationer parallelt og kan dermed løse meget komplekse opgaver meget hurtigt.

Qubits:Små kredsløb

Tilbage til WMI:Her finder vi sølvvakuumkamre, hvori metalatomer er præcist aflejret på håndstore siliciumwafers. De meget rene metallag, der dannes på disse wafere, danner grundlaget for små kredsløb. Når superkøling gør kredsløbene superledende, svinger den elektricitet, de bærer, ved forskellige frekvenser svarende til forskellige energiniveauer. De to laveste niveauer tjener som qubit-værdierne 0 og 1. Chippen i et af disse kølesystemer indeholder seks qubits, tilstrækkeligt til forskningsformål.

Kvantecomputere har dog brug for flere hundrede qubits for at løse praktiske problemer. Derudover skal hver enkelt af qubits være i stand til at udføre så mange beregningstrin som muligt for at realisere algoritmer, der er relevante til praktiske formål. Men qubits mister deres superposition meget hurtigt, selv efter den mindste forstyrrelse, såsom materialefejl eller elektrosmog - "et enormt problem," siger Gross.

Komplekse korrektionsprocedurer skal derefter bruges til at rette disse fejl, men disse processer vil kræve tusindvis af yderligere qubits. Eksperter forventer, at dette vil tage mange år at opnå. Ikke desto mindre kan indledende applikationer allerede være funktionelle, når antallet af qubit-fejl er reduceret, hvis de ikke er elimineret.

"En vigtig fejlkilde er uønsket gensidig interaktion mellem qubits," siger Dr. Kirill Fedorov fra WMI. Hans middel:Fordeling af qubits på tværs af flere chips og vikle dem ind i hinanden. I kælderen på WMI peger Fedorov på et rør med diameteren af ​​en trægren, der fører fra en kvantecomputer til den næste. Rørene indeholder mikrobølgeledere, som sætter qubits i gensidig interaktion med hinanden. Denne tilgang kan gøre det muligt for tusindvis af qubits at arbejde sammen i fremtiden.

Overfølsomme kvanta måler mere præcist

Eva Weig, professor i nano- og kvantesensorteknologi, har et andet perspektiv på denne mangel på perfektion. "Det faktum, at kvantetilstande reagerer så følsomt på alting, kan også være en fordel," siger hun. Selv de mindste magnetiske felter, trykvariationer eller temperaturudsving kan målbart ændre en kvantetilstand. "Dette kan gøre sensorer mere følsomme og mere præcise og gøre dem i stand til bedre rumlig opløsning," siger Weig.

Hun vil bruge relativt store objekter som mekaniske kvantesensorer. Selv nanostrukturer bestående af millioner af atomer kan sættes i deres kvantegrundtilstand, som forskere ved University of California første gang demonstrerede i 2010. Eva Weig bygger videre på opdagelsen. "Jeg vil konstruere let kontrollerede nanosystemer for at måle de mindste kræfter."

I laboratoriet præsenterer fysikeren en chip, som hendes hold har lavet i sit eget renrum. På den er, hvad hun kalder "nano-guitarer", usynlige for det blotte øje:Små strenge, 1.000 gange tyndere end et menneskehår, som vibrerer ved radiofrekvens. Weigs team forsøger at sætte disse nano-oscillatorer i en defineret kvantetilstand. Så kunne strengene bruges som kvantesensorer, for eksempel til at måle de kræfter, der eksisterer mellem individuelle celler.

Vejen til kvanteinternettet

Professor i kvantenetværk Andreas Reiserer ønsker at bruge et andet aspekt af kvantesystemer for at lette et kvanteinternet:En partikels kvantetilstand ødelægges, når den måles, hvilket betyder, at den information, den indeholder, kun kan udlæses én gang. Ethvert forsøg på aflytning ville således uundgåeligt efterlade spor. Hvis der ikke er sådanne spor, kan man stole på en kommunikation. "Kvantekryptografi er omkostningseffektiv og kan allerede i dag understøtte aflytningssikker kommunikation," siger han.

Men omfanget af denne teknologi er stadig begrænset. Ifølge Reiserer er fiberoptiske elementer ideelle til at transportere kvanteinformation ved hjælp af lys. Men glasset absorberer noget af lyset for hver kilometer, det tilbagelægger. Efter cirka 100 kilometer er kommunikation ikke længere mulig.

Reiserers team forsker derfor i det, der kaldes kvanterepeatere, lagringsenheder til kvanteinformation, som skal placeres langs det fiberoptiske netværk cirka hver 100. kilometer. Hvis det er muligt at sammenfiltre hver af kvanterepeaterne med dens umiddelbare nabo, kan den sendte information videregives uden tab. "På denne måde håber vi at være i stand til at krydse globale afstande," siger Reiserer. "Så kunne det være muligt at forbinde enheder overalt i verden for at danne en 'kvantesupercomputer'."

Det München-baserede team ønsker at miniaturisere kvanterepeatere, for at forenkle dem og gøre dem egnede til masseproduktion ved at sætte dem på en computerchip. Chippen indeholder en optisk fiber, hvori erbium-atomer er blevet indlejret. Disse atomer tjener som qubits, der kan buffere informationen. Reiserer indrømmer dog, at dette kræver afkøling til så lidt som fire grader Kelvin (dvs. ca. -269°C) og tilføjer, at meget mere forskning vil være nødvendig, før praktisk levedygtighed er opnået.

Samfundsmæssige risici

Ankomsten af ​​kvanteteknologier i hverdagen indebærer også nogle risici. En fejlkorrigeret kvantecomputer kunne knække nutidens konventionelle krypteringsprocedurer og kunne for eksempel kompromittere netbanksikkerheden. "Den gode nyhed er, at der allerede er nye krypteringsprocedurer, som er sikre mod kvantecomputerangreb," siger Urs Gasser, professor i offentlig politik, regeringsførelse og innovativ teknologi og leder af "Quantum Social Lab" på TUM. Gasser, en juridisk lærd, tilføjer, at overgangen vil tage flere år, hvilket gør det nødvendigt at komme i gang nu.

"Omkostningerne ved at ankomme for sent kan endda overstige omkostningerne ved at komme for sent på kunstig intelligens," advarer Gasser. Quantum Social Lab fokuserer på de etiske, juridiske og samfundsmæssige konsekvenser af nye kvanteteknologier. Dette inkluderer for eksempel spørgsmålet om, hvordan man kan integrere mennesker i debatten omkring den nye teknologi, eller om ikke kun rige lande skal være i stand til bedre at planlægge deres byer takket være kvanteoptimering.

"Den anden kvanterevolution er et paradigmeskift, som vil have en vidtrækkende social, politisk og økonomisk indvirkning," siger prof. Gasser. "Vi er nødt til at forme denne revolution i samfundets bedste interesse."

Leveret af Technical University München