Forskning i kvantemekanik er som en opdagelsesrejse ind i fremtiden

Kvantemekanik har ikke meget tilfælles med jazz. Og så alligevel. For ligesom jazzen er krævende og kompleks for den uindviede, så er kvantemekanikken det også.

Og mens jazz med sine intense, ekspressionistiske spillemåder udvider musikkens klanglige og rytmiske virkemidler, så udvider kvantemekanikken vores forståelse for, hvordan verden er bygget op.

I jazz-dokumentaren Music for Black Pigeons bliver saxofonisten Mark Turner spurgt om, hvad han leder efter i musikken. 

”Jeg leder ikke efter noget bestemt, men jeg vil opdage noget nyt,” svarer han.

Og nu er vi fremme ved grunden til denne jazz-indkøring til en artikel om kvantemekanik.

For selvom leder af POLIMA, professor N. Asger Mortensen, ikke er en udpræget jazzcat med en cigaret i kæften og en whisky i hånden, så er han drevet af det samme som Mark Turner: Jagten på det ukendte. 

- I POLIMA drømmer vi om at opdage nye fænomener, som vi endnu ikke aner konturerne af, siger professor N. Asger Mortensen.

Det er særligt udforskningen af lys-stof vekselvirkninger under nye ekstreme forhold, de er optaget af på grundforskningscenteret.

Det giver dem nemlig muligheden for at udforske nye kvanteaspekter af lys, materialer og deres indbyrdes kobling. 

Disse fund kan potentielt føre til nye kvanteteknologier til gavn for vores samfund.

Drømmen om nye teknologiske landvindinger

 Ifølge N. Asger Mortensen er dette forskningsfelt erfaringsmæssigt et område, der genererer nye teknologiske muligheder. 

Derfor er han også overbevist om, at denne grundvidenskabelige satsning, som etableringen af POLIMA repræsenterer, er afgørende for, at vi som samfund opretholder den fremdrift, der gør, at vi er berettigede til at drømme om nye teknologiske landvindinger og nybrud, der løbende kan forbedre og udvikle vores samfund.

- Udforskningen af lys-stof vekselvirkninger under nye ekstreme forhold giver en forhåbning om også at opdage og forstå nye fænomener og forhold, som kun kan tilvejebringes ved hele tiden at rykke grænserne for vores eksperimentelle og teoretiske kunnen, siger han og forsætter:

- Det er lidt som at være opdagelsesrejsende, og det er et kæmpe privilegium, men også et stort ansvar, at være blevet givet denne mulighed af samfundet. Der er en medfølgende forpligtigelse til hele tiden at være nysgerrig, men det er også enormt motiverende.

Kan du beskrive, hvad POLIMA forsker i?

- POLIMA er et grundforskningscenter, hvor vi er nysgerrige på, hvordan lys vekselvirker med såkaldte polaritoner i f.eks. atom-tynde to-dimensionale materialer eller i metalliske nanostrukturer.

- Polaritoner er lidt populært sagt halvt-lys-halvt-stof eksitationer, der kan anslås når lys vekselvirker stærkt med f.eks. ladningsvingninger i elektrisk ledende materialer (såkaldte plasmon polaritoner), gittersvingninger i materialer (phonon polaritoner), eller bundne par af elektroner og manglende elektroner i en halvleder (såkaldte exciton polaritoner).

Hvorfor er det vigtigt at forstå, hvordan lys vekselvirker med materialer i helt ekstreme situationer?

- Denne type nysgerrighedsdreven forskning er vigtig for, at vi hele tiden får udvidet vores grundlæggende erkendelser af, hvordan lys vekselvirker med materialer/stof.

- Ved at studere lys-stof vekselvirkninger under ekstreme forhold, f.eks. atom-tynde materialer, får vi nye muligheder for at udforske og opdage nye kvanteaspekter af både lys, materialer og deres indbyrdes kobling. Det er vigtigt for hele tiden at udvide vores erkendelseshorisont og det er potentielt grundlagsskabende for nye teknologier inden for kvanteområdet, hvor lys-stof vekselvirkninger er centrale for optisk baseret kvanteinformationsprocessering og optisk kommunikationsteknologi.

- Der er tale om elementer, der er helt centrale for implementering af kvantecomputerteknologi i vores samfund.

- POLIMA er således en unik mulighed for både den nysgerrighedsdrevne forskning i dette område, men det er også en platform for uddannelse og talenttræningen af fremtidens ingeniører, fysikere og unge forskere inden for kvanteområdet.

Hvad kan det at kontrollere enkelte lyspartikler overhovedet bruges til?

- Den ekstreme kontrol over polaritoner og lys-stof vekselvirkninger giver blandt andet mulighed for at generere og manipulere enkelte photoner/lyspartikler. I modsætning til klassiske lysfelter, der indeholder måske tusindvis af fotoner, så er den enkelte foton i sig selv et kvantemekanisk objekt, der udviser kvantemekaniske effekter.

- Når vi arbejder med enkelte fotoner, er der altså tale om kvanteoptik. I polariton sammenhæng kan man tale om, at både lys og stof er kvantiseret. Muligheden for at skabe og manipulere enkelte lyspartikler er centralt i forhold til lysbaseret kvanteinformationsprocessering og kvantekrypteret optisk kommunikationsteknologi, men rummer også potential sensor aspekter.

Når vi snakker kvanteteknologi, så nævnes nye teknologier som kvantecomputere, kvantekryptografi og kvantesensorer. Hvor modne er disse teknologier? Findes de allerede? Eller hvor langt ude i fremtiden skal vi før disse ting bliver en integreret del af vores hverdag?

- Der er stor optimisme i kvantecomputer miljøet, hvor nogle har givet indtryk af en tidshorisont på ned til 5 år. Jeg tilhører nok den mere skeptiske gruppe, der er opmærksom på, hvor lang tid det har taget andre teknologier, før de har revolutioneret vores samfund. Se blot på transistoren, laseren, og den optiske fiber – det tager nemt 20-30 år.