Annons

Schrödingers katt För att illustrera det faktum att en kvantpartikel kan ha flera tillstånd samtidigt, formulerade fysikern Erwin Schrödinger ett tankeexperiment som går ut på att en katt kan vara både levande och död.

Bild: 
Björn Öberg

Kryptokatten

I kvantfysikens värld kan en partikel ha helt olika egenskaper samtidigt – tills man bestämmer sig för att se efter. Nu börjar forskarna lära sig att utnyttja detta märkliga fenomen för att skapa oknäckbara koder.

Författare: 

Publicerad:

2017-12-28

Den kinesiska satelliten Micius sveper fram 50 mil ovanför jordytan. Fotoner – enstaka ljuspartiklar – färdas mellan satelliten och mottagare på marken. En i taget, flyktiga och ömtåliga. Samtidigt bär de med kvantfysikens hjälp nyckeln till att koda hemliga meddelanden helt avlyssningssäkert.

I slutet av september pratade den kinesiska vetenskapsakademins president med sin motsvarighet i Österrike via ett videosamtal som krypterats med hjälp av satelliten Micius. ”Nu föds kvant-internet”, kungjorde rubriker världen över. Vad det egentligen skulle betyda var det färre som gav sig in på att förklara. ”Nu kan vi kommunicera helt avlyssningssäkert!” Men detta var möjligt även innan den här satelliten. Så vad är det egentligen som är så speciellt?

Val Zwiller, professor vid Kungliga tekniska högskolan, KTH, har följt de kinesiska framgångarna ute på fältet.

– Hela projektet är väldigt imponerande; kineserna har mobiliserat resurser i industriell skala. Och de fick ju rubriker! Men vetenskapligt är det egentligen inget nytt.

Val Zwiller verkar befinna sig i ett överlagrat kvanttillstånd, både imponerad och icke-imponerad på samma gång. Entusiastisk och försiktigt avvaktande.

Så är det med kvantpartiklar, som fotoner – de kan vara i flera olika tillstånd samtidigt (se sidan 57). Det är ett av de fenomen i kvantvärlden som kan utnyttjas i olika tillämpningar, till exempel kvantkryptering. Överlagringen är mycket ömtålig. När partikeln växelverkar med något, till exempel en mätapparat, kommer ett av tillstånden att visa sig, medan de andra försvinner.

Då är Val Zwillers obestämda tillstånd förmodligen mindre bräckligt. På vår mänskliga nivå har kvanteffekterna suddats ut, så att de nästan aldrig märks. Det är därför vi inte har utvecklat någon intuition för att förstå kvantfysiken. De som arbetar med kvantfysik får vänja sig vid dess egenheter. De lär sig det matematiska språket som beskriver sannolikheter och vågfunktioner.

Tillämpningar av alla möjliga slag hägrar vid horisonten. Bättre mikroskop och andra känsliga mätinstrument. Kvantdatorer som kan göra beräkningar som vanliga datorer inte klarar. Nya sätt att hantera information, bland annat med kvantkryptering. Kvantteknik är ett hett område. Det satsas stort på forskning, även i Sverige.

Att hantera information och kommunikation med kvantfysikens hjälp är kanske den mest omtalade delen av det här forskningsområdet just nu.

– Många ser Kina som ledande inom kvantkommunikationsfältet, säger Val Zwiller.

Framgångarna är resultatet av en medveten satsning, där satelliten Micius bara är en av delarna. Namnet på projektledaren, Pan Jianwei, är värt att lägga på minnet, för det lär vi få höra mer av i framtiden.

Val Zwiller har varit i Kina och sett en del av det kvantnätverk som håller på att byggas med optiska fibrer mellan Shanghai och Beijing. Han har till och med fått prova en tidig del av det.

– Vi hade en Skype-konversation som kodades med kvantnyckel, som byttes med någon sekunds mellanrum, berättar han.

Att skapa en hemlighet Ett sätt att utnyttja kvantfysik för kryptering är att utgå från polarisering – att varje foton har ett elektriskt fält som svänger på en viss ledd. 

Bild: 
Johan Jarnestad

Kvantfysiken gör det möjligt att garantera att ingen utomstående kan stjäla nyckeln, koden som låser och låser upp det hemliga budskapet. Själva kryptonyckeln är en slumpmässig följd av ettor och nollor som används för att koda ett budskap. Detta skapas och överförs på ett sätt som innebär att bara två parter kan ha tillgång till nyckeln. Meddelandet kodas i en helt vanlig dator och kan sedan skickas helt öppet med radio eller över internet. Det spelar ingen roll om någon annan fångar upp det, för det kommer att vara maskerat till slumpmässigt brus för alla som inte har nyckeln. Och om nyckeln kan göras lika lång som budskapet finns det inga upprepningar, inga mönster, ingenting som kan ge en utomstående någon öppning för att knäcka koden.

Det är precis samma sorts teknik som användes för att koppla ihop Kina och Österrike via satelliten Micius.

– En nackdel med en satellit är att det är låg bandbredd. Dessutom behövs det många satelliter för att kunna göra metoden praktiskt användbar, säger Val Zwiller.

Men optiska fibrer har också begränsningar, bland annat att fotoner ibland förloras på vägen. Längre än 100 kilometer kan kvantsignaler än så länge inte skickas på något tillförlitligt sätt. För att nå hela sträckan från Shanghai till Beijing finns 32 pålitliga relästationer längs vägen. Där fångas fotonerna upp och hanteras på vanligt klassiskt vis.

I vanlig elektrisk kommunikation används förstärkare som förbättrar och skärper signalen på vägen. Det går inte med kvantkommunikation, eftersom det inte går att fånga upp och återsända en foton utan att påverka dess kvanttillstånd. Forskare har idéer om något som kallas quantum repeater, som kan fånga upp och vidareförmedla kvantsignaler. Men det är många svårigheter som måste lösas innan det fungerar.

Det finns inget magiskt med kvantfysiken, men den ger fantastiskt kraftfulla verktyg. Utmaningen ligger i att handskas med enstaka partiklar, och att skydda kvanttillstånden så att de inte förstörs.

Att manövrera enstaka fotoner är kärnan i Val Zwillers egen forskning.

På en höjd i det gamla industriområdet Albano ligger den vita byggnaden Albanova, Stockholms centrum för fysik, astronomi och bioteknik. Det är en byggnad av det slag som ger intryck av att vara större på insidan än utsidan. Här finns minst fem olika forskargrupper som arbetar med att utforska kvantfenomen och vad de kan användas till. Val Zwillers grupp för kvantnanofotonik är en av dem. Gruppen flyttade hit från Delft i Nederländerna för två år sedan.

Val Zwiller visar vägen nedför marmortrapporna och vidare in i långa vita korridorer som leder till hans laboratorium. Detta är ett stort öppet rum med blått golv och varmt orangegula väggar. Den optiska utrustningen på borden skyddas av svartmålade skjutdörrar.

Här testar forskaren Ali Elshaari just en ljusledare med en slinga, där ljus kan gå runt varv på varv och på det viset fördröjas en stund. Det blir en sorts minneskrets, där en foton kan hållas kvar i mer komplicerade kvantförsök. En bit bort står en annan typ av kvantminne, där fotoner ska sparas genom att saktas in (läs om långsamt ljus i F&F 7/2017.) Med sådana komponenter i mindre format kanske elektroniken så småningom kan ersättas med kretsar som hanterar ljus i stället för elektrisk ström.

Val Zwiller påpekar att kommunikation redan till stor del går genom optiska fibrer. Mycket av datalagringen är också optisk, på dvd och liknande.

– Optiken har redan tagit över! Men till beräkningar har vi långt kvar.

Frågan är om optiska datorer kan tävla med kisel, även ekonomiskt (se även Nästa tekniksprång kommer med fotoniken, F&F 3/2015). Under tiden handlar det om att testa vad som går att göra med ljus – och hur. Informationshantering med ljus kan göras energisnålare och effektivare med mindre mängder ljus, ända ner till enstaka fotoner.

– Det behöver inte vara ett kvantsystem till att börja med. Men när vi har verktygen på plats, då går det att utnyttja kvanteffekterna också.

Gruppens särskilda specialitet är att utveckla och förbättra både framställningen av enstaka fotoner och sensorerna som används för att fånga upp dem. Det gäller att försäkra sig om att det alltid sänds ut bara en foton, och att det som fångas upp är en enda foton och inte flera. De ska gärna vara av den infraröda våglängd som används i telekommunikation, som fungerar bäst att skicka längre sträckor i optiska fibrer.

Nya försök förbereds hela tiden. Doktoranden Katharina Zeuner visar en rulle med 13 kilometer optisk fiber, som hon kopplar ihop med sensorer och speglar på ett bord. Så fortsätter arbetet med att handskas med ljuset som en foton i taget. Gradvis blir metoderna lite tillförlitligare, lite stabilare, lite bättre.

På eftermiddagen bjuder Val Zwiller på kinesiskt grönt te i ett litet fikarum invid sitt kontor. Några av hans kolleger ansluter sig, och samtalet rör sig om vad kvanttekniken kommer att få för effekter i samhället. Egor Babaev betonar att det enligt hans åsikt är väldigt viktigt att bygga upp expertis och vara beredd på genombrottet.

– Min poäng är egentligen att vi måste satsa på kvantteknik, för när det kommer stort måste det finnas kompetens även här. Ett land som inte kan den här tekniken hamnar på efterkälken.

Själv arbetar Egor Babaev med kvantdatorer. När de blir användbara kommer de att kunna knäcka den kryptering som kallas för RSA och som används för att ge oss säkra transaktioner över internet i dag.

Det är i alla fall det exempel som ofta brukar nämnas allra först när kvantdatorer kommer på tal. Att vi inte behöver oroa oss för detta riktigt än, tycks forskarna här i fikarummet dock vara eniga om. Än så länge kan kvantberäkningarna bara handskas med en handfull ettor och nollor åt gången, och det räcker inte för att ge något övertag över vanliga datorer. Det finns ett företag, D-Wave, som säljer en maskin som marknadsförs som kvantdator. Vad den maskinens styrka egentligen är råder det fortfarande oenighet om. Det har inte gått att demonstrera att den faktiskt kan göra något som en vanlig dator inte klarar.

Poängen med att göra en kvantdator är att den specialiserade hårdvaran kan överträffa vanliga datorer – men bara där det går att utnyttja kvanteffekterna. Forskarna talar om tillämpningar för vissa typer av simuleringar, och för maskininlärning. Specialiserade beräkningar skulle kunna delas upp, så att de delar som kan dra nytta av kvantdatorn skulle köras på denna, medan de andra delarna hanteras av en konventionell dator. Det bedrivs mycket teoretisk forskning om hur detta kan användas när tekniken är mogen, så det handlar inte bara om att bryta kryptering.

– Om allt vi åstadkommer med kvantteknologin är att bryta ett krypteringssystem, då tycker jag inte att vi har mycket att skryta med, säger Val Zwiller.

Skulle det ändå bli så, presenteras kvantkrypteringen ofta som receptet för att rädda situationen. Faktum är att teorin om kvantkryptering formulerades redan 1984, tio år innan matematikern Peter Shor presenterade grunden för hur kvantdatorer kan knäcka RSA-krypteringen. Kvantkryptering är alltså en gammal idé. Kommersiella system finns också sedan mer än tio år tillbaka.

Ändå används kvantkryptering nästan inte alls. Val Zwiller spekulerar lite om att det kan vara så att regeringar och säkerhetstjänster kanske inte vill att vi ska ha fullständigt avlyssningssäker kryptering. Men det finns praktiska problem också. Utöver svårigheterna med räckvidd är det bristen på certifiering och officiell kvalitetskontroll. Den som vill använda kvantkryptografi måste helt enkelt förlita sig på att systemet gör det som tillverkaren säger.

Allt det här går förmodligen att lösa. Men det är en bra bit kvar.

Kanske kommer den nya kvanttekniken i vilket fall som helst att handla om något helt annat än det vi tror, säger Val Zwiller.

– Genombrottet kommer, men vad det blir som slår igenom vet vi inte i dag. Det är sällan det användningsområde som man förutspår som sedan faktiskt blir stort. Jämför med hur det var med laser, och andra viktiga uppfinningar.

Lasern gav oss inte så många dödsstrålar, men desto fler cd-spelare. På samma sätt är det svårt att säga vad det blir för ny kvantteknik som får genomslag i vardagen. I väntan på det får vi fortsätta fascineras av kvantfysiken bakom de tekniska visionerna.

Mohamed Bourennane visar en komponent som ofta ingår i experimenten, monterad på ett bord. Utvecklingen går nu mot betydligt mindre optiska kretsar.

Bild: 
David Magnusson

Den andra kvantåldern

– Jag var den första doktoranden i Sverige som jobbade med kvantinformatik, säger professor Mohamed Bourennane.

Han håller upp sin doktorsavhandling från 2001. Nu leder han forskargruppen i kvantinformation och kvantoptik på Stockholms universitet, grundad av honom själv för några år sedan.

Han visar vägen genom korridorer och vidare in i vindlande labyrintiska laboratorier på Albanova. Olika delar av labbet skiljs från varandra av speciella draperier som ska skydda mot eventuella laserstrålar på avvägar. Men vi behöver inte vara så försiktiga nu, säger Mohamed Bourennane, för när lyset i taket är tänt är lasern inte påslagen. Han drar isär kardborrelåsen och visar vägen mellan de tunga och stela draperivåderna.

För ett otränat öga ser det mesta ganska likartat ut: optiska bord med lasrar, speglar, filter och sensorer. I själva verket är det många olika saker som pågår.

En uppställning kan producera åtta fotoner som alla är kvantmekaniskt sammanflätade med varandra.

– Jag skulle säga att vi är på nästan samma nivå som de bästa i världen, säger Mohamed Bourennane.

”De bästa i världen”, det är Pan Jianwei och hans forskargrupp i Kina. År 2016 publicerade de resultat av experiment med att skapa tio sammanflätade fotoner. Men antalet är inte allt. Att åstadkomma ett sådant är fortfarande till viss grad en fråga om tur. Det viktiga nu är att bli bättre på att säkert få ut rätt antal sammanflätade fotoner på beställning, när de behövs till ett experiment.

Uppställningen i Mohamed Bourennanes labb håller på att optimeras. De sammanflätade fotonerna ska användas i olika experiment som utforskar fysiken och möjliga tillämpningar.

– Om jag har ett bankvalv som skyddas av flera lås är det säkrare att ge nycklarna till flera olika personer, säger han. Att ha flera sammanflätade fotoner medför att de kan användas för att dela hemligheter på liknande sätt.

Han går vidare genom rum efter rum, där doktorander och forskare är upptagna med att ställa i ordning utrustning och förbereda mätningar.

Mohamed Bourennane pekar ut den ena apparaten efter den andra. Här går det att tillverka två sammanflätade fotoner av olika våglängd, så att den ena kan skickas i en optisk fiber och den andra kan lagras i en sorts minne. I ett annat rum står en apparat som fungerar ungefär som en 3D-skrivare, fast den gör spår i glas som fungerar som kanaler för att leda ljus.

Mohamed Bourennane bubblar över av exempel på vad kvanteffekter kan användas till. Han visar många publikationer, både rapporter om experimentella resultat och teoretiska beräkningar. En av dem handlar om hur kvantinformation kan tillämpas i kortspelet bridge. En annan om hur man ska synkronisera information, till exempel tidmätning, i ett nätverk med många noder.

Enligt Mohamed Bourennane har en hel del förändrats bara det senaste året, med mer uppmärksamhet och större anslag till kvantinformation världen över. En hel del av det menar han beror på Kina, som driver på en sorts kapplöpning.

– Det är en guldålder för oss nu, säger han. Vi står inför en kvantrevolution, den nya kvantåldern.

Den första kvantåldern inleddes med laser och halvledarteknik som transistorer, som ligger till grund för mycket av vår vardagsteknik i dag. Nästa våg skulle alltså vara på gång nu. Och Mohamed Bourennane är beredd.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
10 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Lägg till kommentar