Det teknologisk kapløb om at udnytte kvantefysikken raser, og i Danmark får udviklingen yderligere fart, når DTU’s renrum til efteråret forventes at åbne dørene for de første projekter i en ny NATO test- og fabrikationsfacilitet. Projekter med fokus på udvikling af kvantecomputere og kvante-kryptering vil få høj prioritet, vurderer professor på DTU Ulrik Lund Andersen.
”Kvanteteknologi til sikker kommunikation, eller til at afkode kommunikation har stor militærstrategisk betydning. I dag kan man ikke aflæse den krypterede information, men hvis man gemmer den, og senere bryder koden med en kvantecomputer, som man forventer bliver udviklet inden for de næste ti år, så kan man læse kommunikationen. Derfor har vi allerede i dag behov for at beskytte kritiske data med krypteringsnøgler baseret på kvanteteknologi,” siger Ulrik Lund Andersen.
Han arbejder sammen med kolleger på en ansøgning til det nye NATO testcenter, hvor han vil etablere en startup virksomhed, der skal videreudvikle en membran, der er opfundet på DTU Fysik. Membranen fungerer som en sensor til måling af tryk og temperatur, men den kan også gøre det muligt at overføre kvanteinformation mellem f.eks. optiske og elektroniske signaler, hvilket er en afgørende brik i udviklingen af et kvantenetværk.
Ny generation af kvanteteknologi
Udviklingen af kvanteteknologi står på skuldrene af tidligere såkaldte første generations kvanteteknologier som transistoren, laseren og atomure, som er afgørende for det samfund, vi har i dag. Siden den første generation af kvanteteknologier har videnskaben opnået fuld kontrol over de basale byggesten i kvanteteknologi, og forskerne står i dag over for at kunne skabe en helt ny generation af kvanteteknologier.
Kvantemekanikken kan få det til at svimle for de fleste, der forsøger at begribe det fysisk fænomen superposition: At objekter – atomer, fotoner, protoner - kan befinde sig i to eller flere forskellige tilstande samtidigt. Men det er principper som dette, der sætter forskerne i stand til at udvikle kvanteteknologi og f.eks. lagre information i sammenfiltrede kvantemekaniske tilstande.
Forskerne udnytter at partikler som atomer, lys i form af fotoner, eller elektrisk ladede protoner, optræder i kvantetilstande som superposition og sammenfiltring – at to rumligt adskilte objekter er kvantemekanisk forbundet som én enhed. Det er disse tilstande forskerne i dag er i stand til at udnytte, og bruge til at lagre data i og få en kvanteprocessor til at udføre beregninger med i et tempo, som i nogle tilfælde er flere millioner gange hurtigere end selv den mest kraftfulde supercomputer.
Ud over sikkerhedspolitiske perspektiver i kvantekommunikation er kvantecomputere vigtige for at kunne sætte fart på udviklingen af ny medicin, machine learning til teknologier til diagnosticering af sygdomme og for at kunne nå mange af FN’s Verdensmål. Forskningen på området foregår ikke alene på universiteter og internationalt førende forskningsinstitutioner som DTU og Niels Bohr Instituttet , men også i virksomheder som Google, Intel, IBM og Toshiba.
Kvantenøgler beskytter kommunikation
Ulrik Lund Andersen forklarer, at forskningen i dag har dokumenteret, at en kvantecomputer kan løse specifikke opgaver, men at der endnu ikke findes en universel, fejlkorrigeret kvantecomputer, der kan løse alle de opgaver, den bliver stillet.
Der er dog allerede nu brug for at styrke datasikkerheden, og derfor forskes der målrettet i at anvende kvantemekanik til at kryptere dataoverførsler. Konkret i udviklingen af såkaldt kvantenøglefordeling, hvor superpositionsprincippet bruges til at skabe og fordele krypteringsnøgler mellem to parter, som derefter kan sikre deres kommunikation. Her gør kvantefysikken det muligt at opnå den højeste grad af informationssikkerhed, og en hacker vil blive afsløret allerede når krypteringsnøglerne fordeles – og altså inden der sendes noget data.
”Vi kan se, hvis der har været en på linjen, og hvis det er tilfældet, så sender vi ikke den krypterede information. Og omvendt kan man se, hvis der ikke har været en hacker på linjen – og så er kommunikationen 100 procent sikker,” siger Ulrik Lund Andersen.
Dataoverførsel baseret på Q-bits
Danmark har en international anerkendt styrkeposition på kvanteområdet, hvor DTU Fysik så sent som i februar 2022 gennemførte nordens første kvantesikrede dataoverførsel i samarbejde med Danske Bank og KPMG. Projektet var baseret på kvante-nøglefordeling, ’continuous variable quantum key distribution’ (CV-QKD). Teknologien er udviklet på DTU og gør det muligt at skabe og dele sikre krypteringsnøgler ved hjælp af standard telecom fiberoptik, svarende til det fibernet, der anvendes til internetforbindelser.
”Vi er så langt med teknologien, at vi faktisk ville kunne kommercialisere den. Der er ingen tvivl om, at markedet kommer, men prisen for teknologien er stadig for høj og hardwaren fylder rent fysisk for meget. Men hvis vi kan få den komprimeret, så den kan passe ind i flere produkter, så er teknologien relevant for et større marked, og ved at producere i større mængder vil prisen per enhed falde. Og opgaven med at få teknologien ned på chips er helt klart noget, vi kan løfte i det nye NATO-center på DTU,” siger Ulrik Lund Andersen.
Her er renrummet i DTU Nanolab nødvendigt.
”Vi bruger store systemer og komponenter til at udvikle teknologien bag kvantenøgler, det er på nuværende tidspunkt ikke muligt at gøre på chip-skala. Men for at kunne sælge det, så alt skal gøres ufattelig meget mindre, og det skal ikke koste noget. Og det gør vi ved at få det hele - vores laser, modulatorer, og alle de andre komponenter, bragt ned på en chip. Den nødvendige teknologi er tilgængelig i renrummet og kan bringe os skridtet videre mod en kommerciel udgave af kvantesikret kommunikation,” siger Ulrik Lund Andersen.
