Laser lagrer informationer i atomer

Med kun et skud tilbage i bøssen gælder det om at indstille sigtekornet helt præcist. Denne cowboy-lærdom ligger bag en ny opdagelse foretaget af teoretiske fysikere på Danmarks Tekniske Universitet.

De har fundet ud af, hvordan man kan affyre en ultra-tynd lysstråle – faktisk bare en enkel foton – og ramme et bestemt atom, så atomet opnår en højere energitilstand. På den måde kan man lagre informationer i atomer og bruge dem i fremtidens superhurtige kvantecomputere.

LÆS OGSÅ PÅ VIDENSKAB.DK: Ny superpincet griber fat i et enkelt atom

Det er ellers temmelig svært at ramme plet, når målet er så småt, men fysikerne har udviklet en mikroskopisk finte, der kan gøre processen meget nemmere.

Som at skyde med en lang riffel

For at illustrere fremgangsmåden med en håndgribelig analogi begynder lektor Martijn Wubs at tegne atomer og skydevåben på et stykke papir.

»Lad os sige, at man gerne vil skyde til måls efter et atom langt borte, men at man traditionelt har haft et haglgevær, hvor haglene spreder sig for meget og dermed for det meste misser. Hvis man har mange hagl, vil man ramme, men i kvanteinformation vil vi kun bruge ét hagl, fordi det er det enkelte hagl, der koder informationen,« siger Martijn Wubs til Videnskab.dk.

»I stedet har vi designet dette gevær - en riffel med et meget, meget langt løb, og her har vi atomet,« fortsætter han og tegner et atom lige foran det lange geværløbs ende. »Vi har kun én kugle, så vi er nødt til at snyde lidt og guide den hele vejen til atomet,« forklarer han.

Det er postdoc Yuntian Chen, der har udtænkt den nye metode sammen med Martijn Wubs og professor Jesper Mørk på DTU Fotonik i samarbejde med Femius Koenderink fra FOM Institute of Atomic and Molecular Physics i Holland.

LÆS OGSÅ PÅ VIDENSKAB.DK: Kvantecomputeren får potens af danske fysikere

Metoden er beskrevet i mere tekniske termer i oktober-udgaven af tidsskriftet New Journal of Physics, hvor fysikernes artikel er fremhævet som ’Editors Choice’.

Fremtidens computer regner med atomer

Men hvorfor er det så vigtigt at kunne skyde med fotoner og ramme enkelte atomer? Jo, det skyldes, at den proces kan blive nøglen til, at fremtidens supercomputer – kvantecomputeren – for alvor kan slå igennem.

Selvom vore dages silicium-baserede computere efterhånden er blevet meget kraftige, er der nogle beregninger, som de ganske enkelt ikke er i stand til at løse. Desuden forventes det, at computerne om få år ikke kan blive så meget bedre med den nuværende teknologi. Forskere arbejder derfor på højtryk på at bygge afløsere, og kvantecomputeren er det ultimative mål.

Kvantecomputeren kan nemlig blive langt hurtigere til visse opgaver og fx bryde ekstremt komplekse koder, som det ville tage en klassisk computer en uoverskuelig årrække at knække.

Den store forskel skyldes, at kvantecomputeren fungerer fundamentalt anderledes end den klassiske computer, der opererer med bits – en strøm af 1-taller og nuller, som hver især er et stykke information. Kvantecomputeren bruger derimod quantum bits, forkortet qubits, bestående af enkelte atomer, der er så små, at kvantemekanikkens forunderlige love hersker. Da kvantemekanikken siger, at noget så småt som et atom kan være to steder på én gang, betyder det i kvantecomputeren, at et atom kan repræsentere et 1-tal, et nul eller en blanding af begge tilstande på samme tid.

Den egenskab gør, at kvantecomputeren kan lave mange udregninger samtidig, og derfor kan den blive langt hurtigere end den klassiske computer, der kun kan lave en enkelt udregning ad gangen.

Fotonen giver atomet et skud energi

For at kunne bruge atomer som qubits skal man dog kunne styre, om de skal optræde som 1-taller eller nuller, og det er der, fysikernes foton-skyderi kommer ind i billedet.

Ved at skyde lys ind i et atom kan man nemlig excitere atomet. Det er et udtryk for, at fotonen skubber atomets elektroner en smule væk fra dets kerne, så atomet kortvarigt får en højere energitilstand – og det kan udnyttes i kvantecomputeren. Et atom i sin grundtilstand kan således have værdien 0, mens et exciteret atom, der altså har været i kontakt med en foton, kan have værdien 1.

»Vi siger ikke, at vi har 100 procent sandsynlighed for at excitere atomet. Men vi simplificerer problemet ret meget, og det kan måske få nogen til at lave eksperimentet og realisere vores forslag,« siger Martijn Wubs til Videnskab.dk.

LÆS HELE ARTIKLEN PÅ VIDENSKAB.DK: Fysikere skyder genvej til kvantecomputeren