I et dunkelt laboratorium under Niels Bohr Institutet i København har professor Peter Lodahl og hans hold af forskere brugt de seneste ti år på at studere nogle af universets mindste, fundamentale bestanddele: bittesmå partikler af lys, også kaldet fotoner.

For nylig gjorde forskerne en opdagelse, som ingen af dem nogensinde havde turdet drømme om, og som kan vise sig at være første skridt mod en helt ny generation af computerteknologi.

»Det er stort. Det kan vende op og ned på alting,« forklarer Peter Lodahl over en kop kaffe på sit kontor på Blegdamsvej.

Han og resten af de 15 medlemmer af forskningsgruppen har opdaget en ny måde at kontrollere de ellers uregerlige fotoner på, som gør det muligt at bygge en ny form for computerchip.

Det er kompliceret stof, men i korte træk kan man sige, at forskerne har opfundet en måde at kontrollere fotoner på, der med 98,4 procents sandsynlighed kan sende én foton i én bestemt retning. Så høj en pålidelighed var for få år siden nærmest utænkelig, og ifølge Peter Lodahl er »énfotonkilden«, som opdagelsen hedder, den mest effektive i verden lige nu.

Kilden kan blive en afgørende komponent i indmaden til en såkaldt kvantecomputer, som vil være nutidens computerteknologi langt overlegen i mange henseender.

»Nutidens computere har nogle klare begrænsninger. For eksempel kan de kun lave én beregning ad gangen, mens en kvantecomputer vil kunne lave mange komplekse beregninger på én gang og vil være langt mere effektiv,« siger Peter Lodahl.

Det skyldes især det lidt forvirrende faktum, at fotoner og andre kvantepartikler har evnen til at være to steder på én gang. En foton kan derfor antage værdierne både 0 og 1 i en binær kode på én gang, mens elektroner i en almindelig computer i dag kun kan antage én værdi ad gangen.

Umuligt at hacke

Peter Lodahl forestiller sig, at den første kvantecomputer i løbet af få år vil blive taget i brug til at løse skræddersyede opgaver inden for forskning i medicin, biologi og kemi. Her er man i dag begrænset af computernes manglende evne til at lave komplekse beregninger.

»Jo større problemet er, jo større vil forskellen være mellem en kvantecomputer og en almindelig computer,« forklarer han.

Sådan ser Niels Bohr Institutets énfotonkilde ud. Hvert hul er omtrent 100 nanometer i diameter, og i bunden ses en »kvanteprik«, som udskiller lyspartikler, også kaldet fotoner. Kilden er i stand til at sende fotoner i én bestemt retning og kan blive en vigtig komponent i de fotoniske chips, som fremtidens computere måske vil blive bygget af. I modsætning til elektronerne i nutidens computere er fotoner ikke tvunget til at vælge én retning gennem bølgelederen. Et foton kan være til stede i begge udgange på samme tid, hvilket vil gøre en kvantecomputer i stand til at lave langt mere komplekse udregninger. Kilde: http://quantum-photonics.nbi.ku.dk/

»For eksempel hvis du vil regne på et komplekst biomolekyle, designe et superledende materiale til at løse energiproblemer eller måske endda fremstille medicin til et specifikt formål. Så vil man sende sin beregning til en kvantecomputer, som i virkeligheden står nede i mit laboratorium eller hos Google. Det bliver virkelighed inden for en overskuelig tidshorisont.«

Forskningen inden for kvanteteknologi kan også vise sig at blive afgørende for fremtidens datasikkerhed. Det er nemlig umuligt at opsnappe information sendt via fotoner. Informationen vil simpelthen gå tabt i forsøget, forklarer Peter Lodahl.

»I kvantemekanik forstyrrer man systemet, så snart man måler. Den person, som vil aflytte signalet, kan sætte en detektor, som måler, at der kommer en foton, men så har man ødelagt fotonen, og den er væk,« siger professoren.

»Det er simpelthen umuligt at kopiere kvanteinformation. Derfor vil et system baseret på kvantekryptografi være fuldstændig sikkert, hvis man laver det rigtigt.«

Der findes allerede i dag virksomheder, som sælger løsninger inden for kvantekryptering. Peter Lodahl forventer, at teknologien, når den er blevet endnu mere forfinet, også vil kunne bruges til at beskytte borgeres private data.

»Det kunne have potentiale til at blive et forbrugerprodukt. Kvantekryptering kræver nemlig ikke, at man har en kvantecomputer. Det vil i virkeligheden bare kræve, at du har en lille chip i din computer, som sender en krypteringsnøgle ved hjælp af fotoner,« forklarer han.

Forberedt til fremtiden

Den internationale interesse for kvanteteknologi er massiv for tiden. Store virksomheder investerer hundredvis af millioner dollars i forskning og opkøber hele forskningsgrupper i et forsøg på at være på forkant med en ny type af teknologi, som ingen endnu helt ved, hvad indebærer.

For eksempel ansatte Google sidste år den prominente fysikprofessor John Martinis og hele hans forskerhold fra University of California i Santa Barbara med henblik på at udvikle en kvantecomputer. Google var også blandt de første til at købe en computer fra det canadiske firma D-Wave, der påstår at have bygget verdens første kommercielle kvantecomputer.

En computer, som ifølge en uafhængig test fra 2013 er op til 3.600 gange hurtigere end en traditionel supercomputer.

Microsoft indledte sidste år et samarbejde med Harvard-professor Charles Marcus, der også er ansat på Niels Bohr Institutet, hvor han leder Center for Quantum Devices. Også NASA og flyproducenten Lockheed Martin arbejder med udviklingen af kvanteteknologi.

Peter Lodahl mener endnu ikke, at virksomhederne nødvendigvis har nogen specifik anvendelse i tankerne, når de investerer i kvanteteknologi. Men de kan se begrænsningerne i den almindelige teknologi og vil gerne være på forkant med den næste generation af teknologi.

»Man kan ikke bare lige pludselig begynde at lave kvanteteknologi. Du skal geare op til det og være parat til det. Og det er det, Google, Microsoft, IBM og de store spillere gør i øjeblikket,« siger han.

Et dansk Silicon Valley

De danske universiteter huser nogle af verdens fremmeste forskningsgrupper inden for kvanteteknologi, og ifølge Peter Lodahl har Danmark potentiale til at blive førende inden for udviklingen af den nye teknologi. Selv er han sammen med en håndfuld af sine kolleger ved at springe ud som iværksætter.

Forskerne fra Niels Bohr Institutet har nemlig patenteret deres banebrydende »énfotonkilde« og regner med at begynde at sælge den inden for de næste par år. I første omgang til forskere fra andre universiteter og måske på længere sigt til større teknologivirksomheder.

Trods den store internationale interesse er der endnu ingen virksomheder i Danmark, der beskæftiger sig målrettet med kvanteteknologi. Derfor regner Peter Lodahl også med at skulle finde internationale investorer til sin videre produktudvikling.

Sammen med sine kolleger arbejder han for tiden desuden på at stable et nationalt center for kvanteteknologi på benene. Ideen er at skabe en dansk pendant til det amerikanske teknologimekka Silicon Valley, hvor teknologiforskning og industri går hånd i hånd.

»Jeg ser et kæmpestort innovationspotentiale for Danmark inden for kvanteteknologi. Vi har forskningsgrupperne, men vi har ikke haft den industrielle overbygning endnu. Det forsøger vi at skabe nu,« siger Peter Lodahl.

Det nationale center vil bestå af forskere og erhvervspartnere fra både ind- og udland. De fleste af de danske virksomheder er ifølge Peter Lodahl endnu mest interesserede i de afledte teknologier, som eventuelt kan omsættes til forbrugerprodukter. Men der er et stykke vej endnu, før private forbrugere vil kunne skifte hjemmecomputeren ud med en kvantecomputer.

»Det ligger langt ude i fremtiden. Alene vores énfotonkilde vil komme til at koste omkring 1,5 million kroner. Men Google er nok ligeglade med, om deres nye supercomputer koster 50 eller 100 millioner kroner,« siger Peter Lodahl.