Kvanteteknologi

Kvanteteknologi får mange af os til at tænke på kvantecomputeren. Kvantesensorer og kvantekommunikation rummer dog mindst lige så meget potentiale, og hele udviklingen inden for kvanteteknologi vil kunne ændre vores verden radikalt.

I DTU’s kvantelaboratorier studeres kobling mellem lys og mekaniske svingninger på kvantefysisk niveau. Det sker bl.a. i eksperimenter nedkølet til nær det absolutte nulpunkt i en blandingskryostat. Postdoc Santiago Tarrago Velez er ved at montere et eksperiment i kryostaten. Foto: Bax Lindhardt

Kvanteteknologierne er stadig så nye, at forskerne ikke er i stand til at forudse, præcis på hvilke områder de vil få størst betydning. Men her er tre bud, som mange forskere tror på:

  • Kvantecomputeren vil kunne gøre en stor forskel for den type beregningsproblemer, der findes inden for f.eks. logistik, finans og medicin.
  • Kvantesensorers ultrafølsomme egenskaber kan blive bredt efterspurgt, bl.a. til medicinske formål og i militæret.
  • Kvantekommunikation og -kryptering lover godt for datasikkerhed, som er relevant for alle dele af samfundet.

Selvom vi har kendt til kvantemekanikken, siden Niels Bohr og andre gjorde deres store opdagelser i 1920’erne, er det først i løbet af de sidste årtier, at udviklingen er gået rigtig stærkt. Vi er nu kommet til et punkt, hvor vi kan kontrollere og manipulere visse kvantefysiske egenskaber og dermed udnytte dem i egentlige teknologier. På det punkt er Danmark og særligt Københavnsområdet blandt verdens førende.

Opmærksomheden på de mange anvendelsesmuligheder for kvanteteknologien stiger dog ikke kun hos forskere, men i samfundet som helhed. Både danske virksomheder og offentlige institutioner nærmer sig quantum-ready-stadiet, hvor man aktivt arbejder med at udnytte kvanteteknologiernes muligheder – bl.a. understøttet af forskning fra DTU.

 

Tre fokusområder på DTU

Udviklingen af kvanteteknologier finder sted på flere forskellige områder. DTU arbejder særlig med tre af dem – kvantecomputere, kvantesensorer og kvantekommunikation. Det sker lige fra grundforskning, der stadig er nødvendig indenfor stort set alle områder af kvanteteknologien, og til egentlig teknologiudvikling. Her spiller DTU særligt en rolle for at udvikle teknologier til implementering og anvendelse hos myndigheder og i erhvervslivet.

Quantum entanglement

Brug DTU's eksperter i kvanteteknologi

Lydia Baril er leder af DTU’s center for kvanteteknologi, Quantum DTU. Lydia Baril har en bred international erfaring både med forskning, start-ups og fra lederstillinger på virksomheder indenfor branchen, bl.a. Microsofts Quantum Lab. Quantum DTU er den fælles indgang til de mange forskere på DTU, der arbejder med forskellige dele af kvanteteknologien, lige fra grundforskning til anvendelse af teknologien hos virksomheder og myndigheder.

Leif Katsuo Oxenløwe

Leif Katsuo Oxenløwe Professor, Gruppeleder

Leif Katsuo Oxenløwe er professor på DTU og ekspert inden for optisk kommunikation og optisk signalbehandling. Han forsker i udvikling af nye energieffektive kommunikationsteknologier og optiske kvanteteknologier, der både kan sikre større datakapacitet og en øget cybersikkerhed. Leif Katsuo Oxenløwe har bred viden om kvanteteknologi, både kvantecomputere, kvantesensorer og særligt kvantekommunikation.
Jonas Schou Neergaard-Nielsen er lektor på DTU og ekspert inden for kvantefysik og kvanteinformationsteknologi.  Jonas Schou Neergaard-Nielsens forskning i eksperimentel kvanteoptik er centreret om udforskningen af lys med ikke-klassiske egenskaber og dets anvendelser indenfor kvanteinformation. Han har viden om kvantefysik og et stort kendskab til både kvantesensorer, kvantekommunikation og særligt kvantecomputere.

FAQ

Se svarene på de mest almindelige spørgsmål om kvanteteknologi.

Kvantefysik er den gren af fysikken, der beskæftiger sig med stof, energi og vekselvirkninger på det mest fundamentale niveau. Kvantemekanikken er den teori, der beskriver kvantefysikkens fænomener.
Kvanteteknologi er en fællesbetegnelse for en række nye teknologier, der udnytter kvantefysikkens fænomener til at udføre opgaver, der enten er umulige eller ikke kan gøres præcist med sædvanlige teknologier.

Det mest omtalte eksempel på kvanteteknologi er kvantecomputeren, som forskere og virksomheder har arbejdet på gennem ca. 30 år. Der findes allerede forskellige udgaver af fungerende kvantecomputere, men teknologien er langt fra moden nok til fordelagtigt at kunne løse relevante praktiske problemer.

Andre kvanteteknologier er tættere på at kunne finde anvendelse i samfundet. Det drejer sig bl.a. om teknologier til kvantekommunikation og til kvantesensorer, som der også forskes i på DTU.
Ulrich Busk Hoff
Mini-forelæsning (på ca. 25 min.) om kvanteteknologi af Ulrich Hoff, der forsker i udvikling og anvendelse af kvanteteknologi. Forelæsningen foregår i et af DTU’s kvantelaboratorier. Forelæsningen, der er målrettet elever på gymnasier og erhvervsuddannelser, giver en kort introduktion til kvanteteknologiens historie, en forklaring på, hvad kvantefysik er, og en gennemgang af, hvor langt kvanteteknologien er inden for de tre områder: kvantesensorer, kvantekommunikation og kvantecomputere.

Kvantemekanikkens superpositionsprincip siger, at hvis to tilstande |a> og |b> er mulige tilstande for et kvantefysisk system (som f.eks. kvantebits), så er summen af de to også en mulig tilstand. Populært siger man ofte, at systemet kan være to steder eller i to tilstande på en gang.

Et af de mest kendte eksempel på superposition er tankeeksperimentet om Schrödingers kat, der blev formuleret af den østrigske fysiker Erwin Schrödinger i 1935. I eksperimentet forestiller man sig en kat i en forseglet kasse sammen med en ustabil atomkerne. Atomkernens henfald måles af en geigertæller. Opdager tælleren tegn på henfald, udløser den en dosis giftgas, som dræber katten.

Ifølge kvanteteorien befinder atomkernen sig i en ustabil tilstand (ikke henfaldet og dog samtidig henfaldet). Overfører man kvanteteorien til katten, så bør den også befinde sig i en ustabil tilstand (levende og dog samtidig død).

Tankeeksperimentet har genereret mange diskussioner og er blevet et populært eksempel på kvantemekanikkens filosofiske implikationer. For er katten i live og død på samme tid? Det finder man først ud af, når man åbner kassen.
Entanglement betyder, at to eller flere partikler er forbundet på en måde, så deres tilstande er afhængige af hinanden – uanset afstanden imellem dem. Så selvom de er fysisk adskilte, så er de sammenfiltrede (entangled) i en fælles kvantetilstand. Foretager man målinger på entanglede partikler, så vil der være stærkere overensstemmelse, eller med et mere teknisk begreb korrelation, mellem resultaterne end hvad der er muligt for et klassisk fysisk system. Populært sagt ved det ene atom, hvad det andet gør.
En kvantecomputer er en processor uden skærm og tastatur, der udnytter kvantemekaniske principper.

Hvor en almindelig computer bruger bits (0 eller 1) til at gemme og behandle information, så bruger en kvantecomputer kvantebits – også kaldet qubits – der kan være i en såkaldt superposition, hvor den både er 0 og 1 på samme tid. Det øger antallet af mulige beregninger eksponentielt.

Derfor stiger regnekraften i princippet eksponentielt med antallet af kvantebits i en kvantecomputer, hvor en almindelig computers regnekraft blot stiger lineært. Det gør det muligt for kvantecomputeren at foretage særlige typer af komplekse beregninger, som selv den største supercomputer aldrig vil kunne klare.
I 2023 er der stadig ingen praktisk relevante anvendelser af kvantecomputere, som ikke lige så godt kunne klares af en supercomputer.

Men når teknologien bag kvantecomputeren bliver mere moden, og den dermed bliver i stand til at løse de komplekse problemer, som en supercomputer ikke kan, så forventes det at blive banebrydende. Blandt andet kan ruteplanlægning inden for transportbranchen blive meget mere præcis, hvilket både vil spare tid og nedbringe transportsektorens udledning af CO2. Det vil også kunne øge udnyttelsen af bæredygtige energikilder som vind og sol i elnettet.

Fra at være et område, der primært har haft forskeres interesse, er virksomheder, myndigheder og investorer derfor i stigende grad begyndt at forberede sig på kvantecomputernes potentiale og de muligheder, det åbner.

Forskere arbejder på at udvikle forskellige typer af kvantecomputere. De kan opdeles efter den type qubits, de bruger - som for eksempel:

  • Superledende qubits er kodet i superledende materialer (som leder elektrisk strøm uden modstand). Kvantetilstanden er kodet i strømmen, der løber gennem kredsløbet, kan manipuleres med høj præcision og kan integreres i eksisterende halvlederkredsløb. Levetiden af superledende qubits er relativt kort. Det er den mest udbredte teknologi, som bruges af bl.a. Google, IBM og Microsoft.
  • Ion-fælder. Bruger atomer eller molekyler med en elektrisk ladning kaldet ioner. Ionerne fanges og manipuleres til at lagre og behandle kvanteinformation ved hjælp af elektromagnetiske felter. En fordel ved ion-fælde qubits er, at de er meget præcise og kan opbevares i længere tid end andre typer qubits.
  • Kolde atomer kan produceres ved at bruge laserlys til at bremse atomer og køle dem ned til meget lave temperaturer. Er baseret på Bose-Einstein kondensater, som er en tilstand, hvor en ekstremt kold gas af atomer kondenseres ned i én fælles kvantetilstand og dermed opfører sig som en enhed. Koldatom qubits kan opnå en lang levetid men er langsomme at manipulere.
  • Fotoniske qubits er qubits, der er indkodet i lys. Det kan enten være i enkelt-fotoner eller i kohærente lystilstande. Teknologien drager nytte af veletablerede metoder og teknikker til at kontrollere og manipulere optiske kvantetilstande og den integrerede optik gør det desuden muligt at frembringe fotoniske kvanteprocessorer på chipskala og dermed skalere platformen.
  • NV-centre i diamanter er kodet i nitrogen-vakanse (NV) centre i en diamant. NV-centre er defekter i diamantkrystaller, hvor et kulstofatom er erstattet af et nitrogenatom og der er et tomt sted i krystallen. Deres kvantetilstand kan manipuleres med høj præcision med laserlys og elektromagnetiske felter. Kan have lang levetid og opretholde deres kvantetilstand i længere tid end andre typer qubits.
En normal computer regner med bits, der enten kan være 0 eller 1. En kvantecomputer regner med kvantebits (qubits), som kan være i superpositioner af 0 og 1. Populært siger man, at qubits kan være i to tilstande på en gang (se superposition). Det øger antallet af mulige beregninger eksponentielt for hver qubit i systemet.

Qubits er kvantesystemer og kan derfor også være entanglede (se entaglement). Mens kvantecomputeren udfører sin beregning, vil dens qubits generelt være entanglede.

Idet man måler på qubitsene, ”kollapser” de og bliver enten 0 eller 1. Det giver et læsbart resultat af beregningen.

Qubits er meget følsomme overfor forstyrrelser – støj – fra omgivelserne, og det kan føre til fejl i deres tilstand og dermed i beregningens resultat. En af de store udfordringer ift. at lave større kvantecomputere er at kunne korrigere for fejl.
Ved kvantesimulering bruges kontrollerbare kvantesystemer til at simulere komplekse fysiske systemer, der er vanskelige eller umulige at simulere på klassiske computere. Dette har anvendelser inden for materialevidenskab, lægemiddelopdagelse og andre områder.
Kvantealgoritmer kan køre på en kvantecomputer og udnytte dens unikke egenskaber til at løse komplekse problemer meget hurtigere, end det er muligt med klassiske algoritmer. Kvantealgoritmer kan bruges inden for udvikling af nye materialer, kryptografi, medicin, logistik, finans og mange andre områder.
Quantum ready refererer til, at en virksomhed, organisation eller nation har tilpasset sin infrastruktur til at kunne implementere og anvende kommende kvanteteknologier. Det betyder desuden, at man har gjort sig klart i hvilke sammenhænge kvanteteknologierne kan medføre en gevinst eller forbedring i forhold til eksisterende teknologier. I forhold til datasikkerhed indebærer quantum ready desuden, at man har taget sine forholdsregler i forhold til at sikre sin infrastruktur mod angreb fra kvantecomputere.
Kvanteinternet refererer til et teoretisk netværk, der bruger kvanteprincipper til at kommunikere og udveksle information. Hvis kvanteinternettet bliver en realitet, vil det tilbyde en sikker og pålidelig måde at kommunikere og dele information. Det vil desuden gøre det muligt at forbinde kvantecomputere på tværs af store afstande.
Kvantekommunikation eller kvantekryptografi er en måde til at sikre information ved hjælp af kvantemekaniske principper. Det er nødvendigt, idet kvantecomputere formodentlig vil kunne bryde alle de algoritmebaserede krypteringsmetoder, der anvendes i dag. Kvantekommunikation kan sikre helt nye muligheder for datasikkerhed ved at indkode information i kvantetilstande for lys. Da det er de kvantemekaniske egenskaber, der udnyttes, er det fysisk umuligt at foretage en måling af lyset uden at forstyrre signalet. Hvis nogen forsøger at opsnappe den information, der sendes, vil systemet bemærke denne ændring og afbryde forbindelsen.

En særlig type af kvantekommunikationssystem er kvantenøglefordeling (QKD). Her indkoder afsenderen information i kvantetilstande for lyset, som efterfølgende måles af modtageren. Den grundlæggende tilfældighed i de kvantefysiske processer gør det muligt for de to parter at generere et sæt tilfældige tal, som kun de kender, og som det kan bevises, at ingen tredjepart har viden om. Det talsæt bruges som krypteringsnøgle for krypteringen, der kaldes symmetrisk, og som ikke kan brydes. Derfor er det kun afsender og modtager, der har adgang til informationen.
Styrken ved kvantekommunikationen er, at afsender og modtager kan registrere ethvert aflytningsforsøg. Det giver mulighed for at oprette en sikker kommunikationskanal, hvor man ikke skal bekymre sig om aflytning, eller at data bliver opsnappet af en udenforstående. Ikke engang en kommende kvantecomputer vil kunne bryde krypteringen, da der ikke findes nogen effektive algoritmer til at bryde symmetrisk kryptering.

Kvantekommunikation adresserer således en af tidens vigtigste cybersikkerhedsudfordringer: At skabe sikre kommunikationskanaler i en verden, hvor aflytning og overvågning hører med til dagens orden. Kvantekommunikation forventes derfor at blive et stærkt værktøj i beskyttelsen af personfølsomme eller samfundskritiske oplysninger.

Det ultimative mål er et 'kvanteinternet' til sikker global kommunikation og til sammenkobling af kvantecomputere.
Kvantesensorer er langt mere følsomme end konventionelle sensorer. Sensorerne fungerer som følere, der reagerer på fysiske påvirkninger omkring dem og bruges bl.a. til at måle intensiteten af lys og andre elektromagnetiske felter, lyd, tryk, tid, tyngdekraft og meget mere. Kvantesensorerne bruger kvantemekaniske principper til at gennemføre målingerne, og det er det, der gør dem mere præcise. Kvantesensorer kan måle på mindre mængder af materiale og vise detaljer i det undersøgte materiale, der ikke er synlige med traditionelle måleteknikker.

Kvantesensorer anvender som regel kvantefysiske objekter som en del af sensorens opbygning. Sensorerne opnår deres egenskaber ved at kontrollere og manipulere disse objekters kvantefysiske egenskaber og deres vekselvirkning med omgivelserne, det kan f.eks. være bevægelse, acceleration eller elektriske og magnetiske felter i omverdenen.

Kvantesensorer er et af de kvanteteknologiske områder, der er mest modent og dermed allerede bliver anvendt. De anvendes bl.a. til:

  • Navigation på baggrund af måling af magnetfelter – bl.a. relevant, hvis GPS risikerer at blive jammet
  • Kortlægning af undergrunden – f.eks. forud for byggeri eller for at finde råstoffer

På nogle områder mangler teknologien udvikling, men kvantesensorer forventes fremover bl.a. at kunne anvendes inden for life science og til bedre diagnosticering af sygdomme. F.eks. ved hjælp af:

  • Analyse af biologisk væv
  • Måling af nerveimpulser i f.eks. hjerne og muskler
  • Forståelse af kvantefænomeners betydning for biologiske processer

Kvantematerialer er materialer, hvor de kvantefysiske egenskaber spiller en vigtig rolle i deres opførsel. Disse materialer kan have unikke elektroniske og magnetiske egenskaber og kan udnyttes i en række teknologier, fra superledning til kvantecomputere.
Kvantecomputere kan finde den bedste løsning blandt mange muligheder for komplekse problemer som logistik, planlægning og styring af forsyningskæder. Det kan få stor betydning inden for områder som finans, produktion og transport, f.eks. i forbindelse med optimering af ruteplanlægning for logistikvirksomheder og design af mere effektive produktionsprocesser.

Quantum DTU

Quantum DTU er DTU’s kvanteteknologiske center. Centret er en fælles indgang til de mange forskere på DTU, der arbejder med forskellige dele af kvanteteknologi, lige fra grundforskning til anvendelse af teknologien hos virksomheder og myndigheder. Det sker inden for områder som kvantesensorer, kvantekommunikation, kryptering, kvantecomputere m.m. Quantum DTU er også grundlaget for et endnu større samarbejde mellem DTU og virksomheder, myndigheder og andre, der ønsker at blive - eller allerede er - ’quantum-ready’, og som gerne vil drage nytte af DTU’s forskning og uddannelse.

Læs mere om Quantum DTU
DTU Nanolab. Foto: DTU Nanolab.

Skab fremtidens kvanteløsninger

Kandidatuddannelsen 'Kvanteinformationsvidenskab' er for dig, der vil være en del af et spirende forskningsområde, hvor jobmuligheder og investeringer vokser massivt på verdensplan. Uddannelsen er engelsksproget og udbydes i samarbejde mellem Københavns Universitet og DTU med optag på Københavns Universitet. Kvanteinformationsvidenskab er en tværfaglig uddannelse, som kombinerer datalogi, matematik og fysik. Du får en omfattende teoretisk, teknologisk og eksperimentel viden på kvanteområdet.

Læs mere om uddannelsen

Kvanteteknologiens historie på DTU

Det er 100 år siden, Danmark var internationalt centrum for den helt nyopdagede teoretiske kvantefysik, og nu danner DTU rammen om udvikling af nye kvanteteknologier.

Følg udviklingen gennem en række nedslag i historien.

Hov, denne funktion kræver cookies

For at se indholdet skal du ændre dit cookie-samtykke til at tillade funktionalitet cookies

Nyheder om kvanteteknologi

Se flere nyheder om kvanteteknologi