«Viktig milepæl» og «stort skritt» på veien mot et sikrere internett
Danske forskere har klart å styre én enkelt lyspartikkel om gangen. Det kan være et viktig skritt mot et hackerfritt kvanteinternett.
Forskerne Leonardo Midolo (til venstre) og Marcus Albrechtsen fra Københavns Universitet har stått i spissen for en ny studie som kan bidra til framtidas tryggere kvanteinternett.(Foto: Privat)
Lise BrixLiseBrixJournalist i Videnskab.dk
Publisert
Når du slår på en lampe, blir du bombardert med milliarder på milliarder av lyspartikler hvert eneste sekund. Et enormt kaos.
Men hva om du kunne kontrollere lyset og få tak i én mikroskopisk lyspartikkel – og sende den til en av vennene dine med en hemmelig beskjed?
Det høres ut som ren science fiction, men er i ferd med å bli virkelighet.
I en ny studie viser danske forskere at de har temmet lyset og kan produsere én enkelt lyspartikkel – også kalt et foton – om gangen.
Den nye forskningen kan bidra til å bane vei for kvanteinternett – en fullstendig sikker internettforbindelse som er umulig å hacke eller avlytte uten å bli oppdaget.
– Det er et imponerende arbeid og et stort skritt på veien mot å gjøre kvanteinternett til virkelighet, sier Michael Drewsen, som er professor ved Aarhus Universitet, men ikke har vært med på den nye studien, til Videnskab.dk.
Andre forskere omtaler studien som «en viktig milepæl innen forskningsfeltet» i en kommentar i Nature Nanotechnology.
Mer aktuelt enn noen gang
Cyberangrep har for lengst blitt en del av moderne krigføring.
Samtidig har hackerangrep på virksomheter og offentlige institusjoner gjort det stadig tydeligere at det trengs et fullstendig sikret internett.
– Det er mer aktuelt enn noen gang å få sikret vår internettkommunikasjon, sier Leonardo Midolo, som er forsker ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet, til Videnskab.dk.
– Vi vet at et internett som baserer seg på kvanteteknologi, vil være sikret. Derfor er det enorm interesse for å utvikle det, sier Midolo, som er en av forskerne bak den nye studien.
Forskerne har lenge visst hva som skal til for å lage en helt sikker internettkommunikasjon: De må kunne kontrollere og lage én og én lyspartikkel.
Fra milliarder av lyspartikler til én
Dagens internettkommunikasjon baserer seg også på lys.
Det er lys som er budbringerne i internettkablene som ligger nede i bakken. Lyset sender riktig informasjon via kablene hjem til huset ditt, slik at du for eksempel kan strømme en film.
Men i stedet for enkelte lyspartikler er det i dagens internett milliarder på milliarder av lyspartikler som suser rundt i internettkablene – og arbeider sammen som et lag.
– Hvis man i stedet bare sender én enkelt lyspartikkel av gårde, vet vi at man med sikkerhet vil oppdage det hvis noen lytter på forbindelsen, forklarer Marcus Albrechtsen.
Annonse
Han er hovedforfatter på den nye studien og forsker ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.
– Hvis noen prøver å måle på én enkelt lyspartikkel, blir informasjonen dens ødelagt, og man kan ikke unngå å oppdage det.
Forskerne har brukt en velkjent metode for å produsere én lyspartikkel om gangen. De har nemlig brukt såkalte kvanteprikker for å få kontroll over lyset.
En kvanteprikk er en bitte liten prikk som vi ikke kan se med øyet, men som består av en samling atomer. Selv om det er mange atomer – i dette tilfellet omtrent 30.000 – oppfører de seg som ett samlet atom, og dette utnytter forskerne.
Når forskerne skyter med en laser mot kvanteprikken, blir den truffet av mange fotoner, altså lyspartikler. Dermed blir kvanteprikken eksitert, som betyr at et elektron blir lokalt fanget i prikken, og etter kort tid vil det falle tilbake og sende ut ett enkelt foton.
Dermed har de skapt det de ønsket: ett enkelt foton.
Teknikken med kvanteprikker har vært kjent i en årrekke, men utfordringen har for det første vært å produsere fotoner med riktige bølgelengder – og like viktig: fotoner som er helt like (koherente).
Kvanteprikkene i den nye studien er laget av forskere fra Bochum i Tyskland.
I et laboratorium på Niels Bohr Institutet i København har den danske forskergruppen framstilt nanochips som også skal brukes i forsøket.
De danske forskerne har brukt lasere på ekstremt lave temperaturer på minus 269 grader – nær den lavest mulige temperaturen. Med disse har de undersøkt produksjonen av fotoner og bekreftet at det blir sendt ut svært like (koherente) enkeltfotoner ved bølgelengder på cirka 1.300 nanometer.
Det er langt fra første gang forskere har klart å temme lyset nok til å kontrollere én enkelt lyspartikkel om gangen.
Det nye er at forskerne har laget en chip som kan framstille én lyspartikkel om gangen – lyspartikler som kan brukes i helt vanlige internettkabler.
Våre moderne internettkabler – fiberkabler – består av tynne tråder av glass som er gravd ned i bakken og ligger på bunnen av verdenshavene.
Lyset som suser rundt der nede i glasstrådene, må ha bestemte farger – eller rettere sagt bestemte bølgelengder – for å fungere optimalt. Hittil har det ikke vært mulig å produsere lyspartikler enkeltvis med de helt riktige fargene.
Men i den nye studien viser forskerne at de kan lage én og én lyspartikkel som har nøyaktig samme farge som lyset som brukes i vanlige internettkabler i dag.
Eller som fysikerne ville ha sagt: Fotonene har en bølgelengde på rundt 1.300 nanometer, akkurat som lyset i internettkablene våre.
(Illustrasjon: Lise Brix/Videnskab.dk, oversatt av Trine Andreassen)
Helt like lyspartikler
Andre forskere har også klart å lage én og én lyspartikkel, men det har vært med farger – altså bølgelengder – som ikke egner seg til vanlige internettkabler, forklarer Michael Drewsen.
– Det har vært ved bølgelengder rundt 930 nanometer, der standard optiske fibre (internettkabler, red.anm.) ikke kan brukes.
Annonse
– Det skjer for store tap over lange avstander, men tapet blir mindre når bølgelengden blir lengre, sier Drewsen.
En annen viktig egenskap lyspartiklene må ha for å fungere optimalt, er at de må være helt like – de må være koherente. Forskerne må altså kunne lage én liten lyspartikkel og deretter en andre og en tredje som er helt identiske.
– Tidligere har det ikke vært mulig å lage dem helt like. Det har vi klart. Nesten ti ganger bedre enn tidligere resultater og helt på grensen for hva som er mulig, sier Marcus Albrechtsen.
Forskerne fra Københavns Universitet har bygget en avansert chip som er brukt i forsøket.(Foto: Marcus Albrechtsen)
Andre fremskritt innen kvanteinternett
I 2022 vakte det også stor oppsikt i flere medier da den samme forskergruppen ledet av Leonardo Midolo viste at de kunne kommunisere mellom Niels Bohr-instituttet i København og Danmarks Tekniske Universitet i Lyngby med en ubrytelig kvanteinternettforbindelse.
Også da hadde forskerne produsert lyspartikler – én om gangen – som de brukte som budbringere i noen spesielle internettkabler mellom København og Lyngby.
Men da kunne de ikke direkte lage lyspartikler med helt riktig farge til bruk i vanlige internettkabler. Derfor måtte de blant annet sende lyspartiklene gjennom en spesiell krystall for å få riktig farge – altså bølgelengde – før de kunne sendes ut i internettkabelen.
– Nå kan vi i stedet produsere lyspartiklene direkte med de riktige bølgelengdene. Det gjør det lettere å bruke i virkeligheten, forklarer Albrechtsen.
Fakta til nerdene: Hva viser den nye studien?
I den nye studien viser forskerne at de har klart å skape én og én lyspartikkel – også kalt fotoner.
Disse enkeltfotonene har bølgelengder på rundt 1.300 nanometer. Det er ett av de to bølgelengdeområdene som brukes i vanlige internettkabler i dag.
– Det er ett av de kommersielle bølgelengdeområdene, men det skal sies at det mest brukte bølgelengdeområdet er 1.550 nanometer, der fotoner kan sendes enda lenger uten tap, sier Michael Drewsen.
Hittil har andre forskergrupper klart å produsere fotoner enkeltvis med bølgelengder på opptil rundt 930 nanometer. Det er ikke godt nok til lengre transport i vanlige internettkabler.
Likevel har de tidligere klart å oppnå riktige bølgelengder på fotonene ved å endre bølgelengden i etterkant – blant annet ved å sende de enkelte fotonene gjennom krystaller og skyte på dem med lasere.
Men slike krumspring gir ekstra jobb, som gjør det vanskeligere å utnytte løsningen kommersielt, påpeker forskerne bak studien. Det slipper man etter at den nye studien produserer fotoner direkte med riktige bølgelengder.
Helt avgjørende er det også at fotonene i den nye studien er svært like (koherente).
– Tidligere har det ikke vært mulig å lage fotonene like ensartede som vi har gjort. Våre fotoner er en faktor ti ganger bedre enn andre grupper som produserer fotonene direkte. Og det er en faktor to-tre ganger bedre enn de som etter produksjonen omformer dem for å få riktige bølgelengder, forteller Marcus Albrechtsen.
Prestasjonen er ikke bare et viktig skritt på veien mot et hackerfritt internett.
Flere andre kvanteteknologier, som også baserer seg på bruk av enkeltstående lyspartikler, vil ha nytte av gjennombruddet, forklarer Albrechtsen.
Men selv om forskerne har klart å skape de riktige lyspartiklene, har de ennå ikke bevist at de kan bruke dem til et kvanteinternett.
Annonse
– Det er et viktig skritt på veien mot kvanteinternett, men det er ikke det samme som at vi bare kan begynne å rulle det ut i internettkablene i bakken med en gang. Det er fortsatt et stykke igjen før vi er i mål, sier Drewsen.
Han anslår at kvanteinternett blir en realitet innen ti år.
Forskerne bak den nye studien forteller at nå som de har laget de riktige lyspartiklene, er neste steg å teste lyspartiklene i internettkabler.
