I Val Zwillers labb utvecklas både teknik och metoder för att mäta enskilda ljuspartiklar eller fotoner. Forskarna har utvecklat en kvantdetektor som kan göra morgondagens internet avlyssningssäkert men även mäta interaktioner mellan olika molekyler.
Projektanslag 2017
Quantum sensors
Huvudsökande:
Professor Val Zwiller
Medsökande:
Gunnar Björk
Katia Gallo
Jack Lidmar
Mats Walin
Jerker Widengren
Lärosäte:
KTH
Beviljat anslag:
34 800 000 kronor under fem år
Ifjol välkomnade Val Zwiller kung Carl XVI Gustaf till KTH för att visa hur framtidens internet kan bestå av enskilda ljuspartiklar. Då hade tjugo år gått sedan en rysk forskargrupp bevisat att det gick att fånga enstaka fotoner i en kvantdetektor.
– Principen var känd sedan tidigare men inte förrän 2001 var någon galen nog att försöka bygga en verklig detektor, säger Val Zwiller, professor i tillämpad fysik.
Zwiller har tagit forskningen vidare och i dag har han flera exemplar av själva hjärtat i detektorn löst liggande i sin skrivbordslåda. De är resultatet av forskningsprojektet ”Quantum sensors” som finansierats av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
– Utan det stödet hade jag inte kunnat göra detta i Sverige utan tvingats söka mig någon annanstans. Konkurrensen är knivskarp med enorma satsningar bland annat i USA och Kina, säger han.
Fångar enskilda ljuspartiklar
I hjärtat av kvantdetektorn finns ett litet nät av supraledande trådar där en ljuspartikel fastnar likt en fluga i spindelväv. Den fångade ljuspartikeln triggar en förvandling av det supraledande materialet som genererar en elektrisk puls från detektorn.
Den elektriska pulsen mäts och analyseras för att avslöja partikelns polarisering, eller kvanttillstånd. Forskarna använder polariseringen för att efterlikna de ettor och nollor som våra datorer använder sig av för att kommunicera.
Med dagens teknik krävs miljoner fotoner för att representera en etta eller nolla i ett fiberoptiskt nät, men kvantdetektorn gör det möjligt att skicka samma information med en enskild foton.
Fördelarna är många, inte minst en mycket lägre energiförbrukning. Men mest uppmärksamhet har dock tekniken fått för sin höga säkerhet.
– Dagens säkerhetslösningar baserar sig på ekvationer som är skapade av människan. Och de är alla möjliga att knäcka men kvantkommunikation är omöjlig att avlyssna utan att det märks, säger Val Zwiller.
Förklaringen finns i det lilla förledet ”kvant”. Mycket förenklat så gör fysikens lagar det omöjligt att mäta en partikels kvanttillstånd utan att tillståndet rubbas. En sådan störning skulle genast upptäckas.
Världsledande och annorlunda labb
Val Zwiller kom till KTH så sent som 2015. Resan skedde i en liten lastbil som kördes i ett sträck från Delfts tekniska universitet i Holland. Under ett dygn turades han och två doktorander om vid ratten.
– Vi litade helt enkelt inte på att någon annan skulle hantera den unika utrustningen vi hade i bagaget på rätt sätt.
De optiska instrumenten i lastbilen blev det första steget till att förverkliga det högteknologiska labbet där kvantdetektorerna har utvecklats. Labbet saknar fönster eftersom mätningarna störs av dagsljus. Men för att lätta upp arbetsmiljön har väggarna målats starkt brandgula och från högtalare i taket pumpar musik på hög volym. För låtvalet står de många studenter, doktorander och postdoktorer som lockats från hela Europa av den unika forskningsmiljön.
Bland dem finns forskaren Marijn Versteegh som anslöt redan 2015, även han från Holland. Han är lite nervös inför dagens uppgift: att justera en av de optiska fibrerna i detektorn. Kryostaten som kyler ned kvantdetektorerna till cirka minus 270 grader Celsius har stängs av. Något som sker mycket sällan.
– Att justera fibern är en riskabel uppgift eftersom det är lätt att den kommer för nära och skadar detektorn. Skalan vi arbetar med är mikrometer och justeringen sker helt för hand, säger Marijn Versteegh.
Först två dagar senare vet han om det lyckats. Då har detektorerna återigen kylts ned till rätt temperatur för att testas.
Morgondagens internet
Vid hans sida arbetar två studenter med den utrustning som lockade kung Carl XVI Gustaf till labbet. Här knyter en optisk fiber samman labbet med telekomjätten Ericsson i Kista. Tillsammans bygger de upp kunskapen kring hur detektorerna ska bli beståndsdelar i morgondagens internet. Men tillämpningarna av tekniken är många fler än så, betonar Val Zwiller.
– Kom tillbaka om fem år så har vi byggt ett instrument på taket som i realtid kan övervaka luftkvaliteten i hela Stockholm. En ny form av ljusradar eller lidar som visar hur ljus absorberas i olika gaser i luften. Den blir mycket snabbare än dagens mätningar som sker i gatunivå.
Kvantdetektorns förmåga att mäta väldigt små mängder ljus gör den även användbar kliniskt. I ett samarbete med Karolinska Institutet utvecklas metoder för att avläsa interaktioner mellan olika molekyler.
När Val Zwiller ser ännu längre in i framtiden så vill han använda detektorn för att mäta hjärnans neuroner med målet att kopiera hjärnans arkitektur för att skapa en kvanthjärna där all kommunikation sker med ljus.
Men först måste han knäcka nöten hur han ska kunna placera så många detektorer som möjligt i ett och samma chip.
– Helst vill vi lyckas med att bygga samman flera miljoner men ett första steg blir att placera 1000 detektorer i samma instrument. Dit har vi kanske fem år.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström
