VINDEREN AF DG’s FOTOKONKURRENCE 2018: I fiber-månens skær styrer forskerne lysets partikler

Et foto af en fuldmåne skabt af lys fra tusindvis af hårtynde glasrør har udløst 1. præmien i Danmarks Grundforskningsfond Fotokonkurrence 2018. Billedet giver et indblik i de metoder, som forskere benytter i jagten på at udvikle kvanteteknologier, som i fremtiden kan revolutionere bearbejdning af data og digital sikkerhed.

Umiddelbart fremstår motivet som en fuldmåne på en stjerneklar nat, men ved nærmere eftersyn består måne-formationen af små lysende prikker i tusindvis. Hvert enkelt prik skabes af lys fra en såkaldt optisk fiber – et hårtyndt glasrør, også kendt som en lysleder. Fotografiet hedder passende The Rising Fibre Moon og er vinderbilledet i Danmarks Grundforskningsfonds fotokonkurrence 2018. Konkurrencen er et nyt initiativ, hvor fondens bevillingshavere i de danske forskningsmiljøer har haft mulighed for at indsende nysgerrighedsskabende fotos fra grundforskningens verden.

”På billedet ser vi en projektion af en kraftig lampes lys, der bliver ledt igennem et bundt af de her optiske fibre. Bundtet har en diameter på cirka én centimeter og rummer 10.000 fibre, som løber helt tæt side om side. Til sidst forstørres fibrenes enkelte lys-output op på væggen som prikker, der tilsammen danner det månelignede motiv,” forklarer fysiker Jonas Schou Neergaard-Nielsen. Han er ophavsmand til vinderbilledet og seniorforsker ved grundforskningscenteret Center for Macroscopic Quantum States (bigQ), der ledes af professor Ulrik Lund Andersen og har til huse på DTU.

Lampen og det store fiberbundt er normalt et værktøj, som forskerne på bigQ benytter til kraftigt belysning af enkelte fibre, der skal håndteres meget nøje i kvantefysiske eksperimenter. For at knipse fotografiet har Neergaard-Nielsen nærmest vendt lampens funktion på hovedet, da lys-outputtet normalt fokuseres ned på tippen af én enkelt fiber til et område på én millimeter i diameter.

”I eksperimenter vil vi gerne have et godt billede af én enkelt fibers tip i et mikroskop, og for at få det har vi brug for meget intens belysning af fibertippen. Årsagen til, at vi skal bruge et skarpt billede, er, at vi skal behandle fiberen meget præcist med en laserstråle for at få tippens overflade til at bue indad. Lykkes det, kan fibertippen fungere som et mikroskopisk spejl i vores eksperiment,” forklarer Neergaard-Nielsen.

Det lille spejl bruger Neergaard-Nielsen og kollegaerne til at danne en såkaldt mikrokavitet. I princippet er det blot to små spejle placeret få mikrometer fra hinanden, så lys hele tiden kan drøne frem og tilbage mellem spejlene. Og selve lyset mellem spejlene, er netop det forskerne er mest interesseret i.

Lyspartikler er fremtidens sikre budbringere

For at forstå hvorfor netop det lys er så interessant for Jonas Neergaard-Nielsen og kollegaerne på bigQ, dykker vi en smule ned i kvantemekanikkens verden. En grund er, at lyspartikler – også kaldet fotoner – potentielt er fantastiske bærere af data, da de modsat elektroner kan transportere data uden modstand og med lysets hast. Det muliggør hurtig overførsel af enorme datamængder. En anden grund er, at partikler som fotoner også kan være i en kvantemekanisk tilstand kaldet sammenfiltring. Kvanteforskere håber at udnytte disse egenskaber hos fotoner til blandt andet at skabe hurtig og sikker kommunikation.

I tilstanden sammenfiltring er fx to fotoner så at sige filtret sammen i ét system og påvirker derfor hinanden, selvom fotonerne befinder sig langt fra hinanden. Det betyder i teorien, at hvert af de sammenfiltrede fotoner kan fungere som en krypteringsnøgle for en ubrydelig forbindelse. For hvis en uvedkommende person forsøger at måle på et af fotonerne for at opsnappe data fra forbindelsen, påvirkes det andet foton i det sammenfiltrede system derfor også af målingen, hvilket afslører den potentielle aflytning.

I kvanteforskernes vildeste fremtidsdrømme kan fotonernes kvantemekaniske egenskaber derfor benyttes som grundpillen i et lynhurtigt og topsikkert verdensomspændende kvanteinternet. Udfordringen er dog, at enkelte fotoner er meget skrøbelige og ekstremt besværlige af producere og håndtere. Derfor arbejder forskere verden over, heriblandt Jonas Schou Neergaard-Nielsen og kollegaerne på bigQ, blandt andet på at producere store mængder af fotoner, de kan styre og kontrollere, som de vil.

BigQ vil gøre den mikroskopiske kvanteverden makroskopisk

Det bringer os tilbage til lyset, som drøner frem og tilbage mellem de to mikroskopiske spejle. Lyset stammer nemlig fra det, forskerne kalder farvecentre:

”Farvecentre er en urenhed i krystalstrukturen på et meget lille stykke diamant.  Denne urenhed opfører sig i princippet som ét enkelt frit atom og kan fungere som kilde til at udsende enkelte fotoner. En sådan fotonkilde er ekstremt eftertragtet i kvantefysikken, eksempelvis grundet perspektivet med teknologier til kvantekommunikation,” forklarer Neergaard-Nielsen og tilføjer:

”Ved at omdanne en fibertip til et af spejlene i mikrokaviteten, bliver det muligt for os at indfange de her enkelte fotoner i fiberen. Og fordi optiske fibre er fleksible, kan vi føre lyset hen, hvor vi vil, og integrere fotonerne videre i vores kvanteeksperimenter,” forklarer Neergaard-Nielsen.

BigQ åbnede i januar 2018 med en bevilling på 63 millioner kroner fra Danmarks Grundforskningsfond, og centeret er det eneste sted i verden, hvor man i ét laboratorium har en særlig kombination af teknologier, som blandt andet tæller kvanteoptik og farvecentre i diamant. Et af hovedmålene for bigQ er, at man med denne kombination gerne vil arbejde mod at skabe makroskopiske kvantetilstande af fx lys.

”I forhold til optiske fibre, så vil vi gerne forsøge at kontrollere større mængder af lys ved skabe talrige mikrokaviteter tæt ved siden af hinanden og dermed opsamle og arbejde med fotoner fra mange forskellige farvecentre. I praksis kan sådanne eksperimenter lede mod udviklingen af fx et kvanteinternet og andre anvendelige teknologier baseret på kvantefysik,” afslutter Jonas Schou Neergaard-Nielsen.