DTU-forskere: Uorden er vejen til chips i kvantecomputere
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

DTU-forskere: Uorden er vejen til chips i kvantecomputere

En forskergruppe på DTU præsenterer i en artikel i Science en helt ny måde til at forbedre funktionaliteten af optiske chip, der skal indgå i fremtidige kvantecomputere. Hvor andre har set uorden som et problem, ser forskere fra DTU Fotonik det som en del af løsningen.

I en optisk chip ønsker man at lade kvantetilstande i fotoner og atomer påvirke hinanden. Det kræver, at man koncentrerer lyset. Det kan eksempelvis foregå i fotoniske krystaller, som kan være halvlederchips med regelmæssigt placerede huller.

Selv om forskerne har fået bedre og bedre nanoteknologiværktøjer til rådighed til at fremstille de fotoniske krystaller, kan det dog ikke undgås, at der kommer en vis uorden i placeringen af hullerne.

Uorden i placeringen af huller giver anledning til, at lys lokaliseres i et meget lille område (orange). De røde cirkler viser positionen af huller i en ideel struktur. [Illustration: DTU Fotonik

]

En kvanteprik (rød)i en fotonisk krystal udsender lys (røde bølger). Den fotoniske krystal består af periodisk placerede huller i et halvledermateriale. Området uden huller er en bølgeleder for det udsendte lys. [Illustration: Søren Stobbe

]

Det har man hidtil betragtet som et kæmpe problem, men nu viser DTU-forskerne, at hullernes uorden kan konverteres til en fordel.

I stedet for at lave chippen mere og mere perfekt, og på den måde øge den nødvendige vekselvirkning mellem lys og atomer, så skal man udnytte uorden til at indfange og koncentrere lys og på den måde øge vekselvirkningen.

»Det er et grundvidenskabeligt gennembrud,« siger lektor Peter Lodahl fra DTU Fotonik, som leder instituttets gruppe for kvantefotonik.

Andersons teori er grundlaget

Peter Lodahl har hentet inspiration fra den amerikanske nobelprismodtager Philip W. Anderson. Han viste allerede i slutningen af 1950'erne, at elektroner på grund af uorden kan indfanges i materialer, hvor der en tilpas stor uorden eller tilfældighed i strukturen.

Princippet kaldes i dag for Anderson-lokalisering. Lokaliseringen opstår på grund af interferens og skyldes elektronernes bølgestruktur.

Når elektronbølger kan lokaliseres af uorden, er det ikke overraskende, at det samme kan ske for lysbølger. Fidusen ved metoden er så at sige, at der skal være en passende uorden, men formen for uorden ikke er kritisk. Det er altså meget produktionsvenligt at fremstille fotoniske krystaller med uorden.

Peter Lodahl forklarer, at selvom det teoretiske grundlag har en del år på bagen, er det dog først med teknologi, der er fremkommet de seneste 5-10 år, at man har kunnet udnytte principperne i praksis.

»Det har desuden krævet en dyb teoretisk forståelse at indse, hvorledes Anderson-lokalisering har indflydelse på vekselvirkningen mellem lys og stof,« siger Peter Lodahl.

DTU-forskerne har specielt undersøgt, hvorledes lys og kvantepunkter vekselvirker i en kavitet - et kvantepunkt er en slags syntetisk atom, der kan udsende fotoner. Ved at introducere uorden i krystallen kunne forskerne måle, at kvantepunktet udsender fotoner op til 15 gange hurtigere end normalt.

Mange anvendelser

Diederik Wiersma, der leder gruppen Optics for Complex Systems ved European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy i Firenze er imponeret.

I en kommentar i Science skriver han, at DTU-forskerne præsenterer en metode, som simplificerer problemerne med at øge vekselvirkningen mellem lys og atomer. Han påpeger desuden, at metoden kan udvikles, så den også kan bruges til kvanteinformationsbehandling. Det kan ske ved, at de lokaliserede tilstande kan udveksle fotoner og derved dele kvanteinformation.

Peter Lodahl peger selv på, at metoden kan bruges i andre sammenhænge, hvor man gerne vil koncentrere lys.

»Princippet kan potentielt anvendes til optiske sensorer, solceller og ved udvikling af effektive miniaturelasere,« siger han.

Dokumentation

Artikel i Science: Cavity Quantum Electrodynamics with Anderson-Localized Modes