Utvecklar kvantmetrologi – och metrologi för kvantteknologi

Kvantmekanik är en övergripande teori inom fysiken som beskriver världen i dess allra minsta skala, på partikel- och fotonnivå. Utvecklingen under det tidiga 1900-talet skapade förutsättningar för en stor del av den teknik vi idag tar för given, så som datorer, laser, mobiltelefoner och satellitnavigationssystem. Genom att kontrollera och manipulera enskilda kvantsystem som enstaka atomer eller fotoner kan vi ta fram helt ny teknik. I en andra kvantrevolution skapas nu nya tekniska möjligheter så som kvantdatorer, avlyssningssäker kommunikation och – inte minst – extremt känsliga mätinstrument.

– Exakt vilka tekniska framsteg det handlar om kanske vi inte får svar på förrän i framtiden. Det var få forskare som i början på 1900-talet kunde förutse att deras forskning inom kvantfysik skulle göra det möjligt att bygga atomklockor, som i sin tur skapat förutsättningar för exempelvis globala navigationssystem som GPS, säger Martin Zelan, som är forskare inom laser- och atomfysik och även arbetar med att samordna och utveckla den forskning som sker vid riksmätplatserna på RISE.

Kvantmetrologi för noggrannare mätningar

En stor del av forskningen vid riksmätplatserna på RISE framöver handlar om kvantmetrologi, det vill säga om att använda kvantmekaniken för att förbättra mätningar av exempelvis tid, massa och ström och andra fysikaliska storheter, mer än vad som är möjligt med konventionella mätmetoder. Det kan ske genom att utveckla nya mätinstrument och nya sätt att mäta. I framtiden kanske man till exempel skulle kunna tänka sig extremt noggranna atomklockor som kan användas för att på centimeternivå mäta hur högt över havet du är, enbart baserat på att tiden går långsammare eller snabbare beroende på gravitationen. En annan viktig fråga är att tillgängliggöra de nya mätinstrumenten genom att minska storleken och kostnaden. Men det handlar också om att använda kvantmekaniska fenomen för att ta fram noggrannare referenser, och på så sätt skapa ännu bättre förutsättningar för konventionella mätningar.

– Tillsammans med nya mätinstrument bidrar det till ännu noggrannare mätningar i industri och samhälle, och i förlängningen till effektivare produktion och nya vetenskapliga genombrott, säger Martin Zelan.

Kvantmekaniken används redan dagligen

Men även om en del tillämpningar ligger några år fram i tiden, och vissa väldigt långt fram, är kvantmekaniken redan närvarande i det dagliga arbetet på riksmätplatserna genom atomklockor, lasrar och kvantnormaler.

– Kvantmekaniken är en så naturlig del av mättekniken att man kanske inte tänker på att det är kvant. Vi investerade i de första kvantnormalerna för de elektriska enheterna volt och ohm redan på 90-talet. Men revideringen av SI-systemet har gett förutsättningar för nya satsningar inom området vilket bidragit till att vår kompetens och våra satsningar vuxit de senaste åren, säger Karin Cedergren, forskare och enhetschef för temperatur och elektrisk primärmetrologi, och fortsätter:

– Vi märker också ett växande intresse från industri och samhälle. För varje år som går så ökar andelen projekt som innehåller kvantmekanik inom metrologi-forskningen. Någonstans går gränsen för vad man kan göra med klassiska mätmetoder, och den gränsen har blivit nådd inom många områden. Då återstår att använda kvantmekaniken.

En svensk kvantagenda

Vetenskapsrådet, Vinnova, Swelife, Wallenberg Center for Quantum Technology och RISE har tagit fram rapporten En svensk kvantagenda. Rapporten ger en bild av hur området ser ut i Sverige idag och vad som behöver göras för att främja utvecklingen och stärka Sveriges position. Regeringen har också tagit initiativ till en nationell kvantstrategi. Det handlar bland annat om att samla och vässa Sveriges kompetens inom kvantteknologi för att på så sätt stärka vår konkurrenskraft. Och även om kvantmekanik på många sätt redan är en naturlig del av mättekniken behöver också riksmätplatserna på RISE fortsätta utvecklas.

– Dels såklart genom att använda kvantmekaniken för att göra ännu noggrannare mätningar. Dels genom att utveckla teknik och metoder som kan stötta företag och organisationer som utvecklar kvantteknologi med de noggranna mätningar som krävs. Både utveckling av kvantmetrologi och utveckling av metrologi som stöttar kvantteknologin alltså. För att göra det behöver vi fortsätta bygga kompetens genom samarbeten med svenska och europeiska kollegor, säger Martin Zelan.

Samarbetet sker till exempel genom den europeiska metrologiorganisationen EURAMET:s nätverk för kvantteknologi, European Metrology Network for Quantum Technologies, genom den svenska Quantum Sweden Innovation Platform och genom flera forskningsprojekt med universitet och högskolor så som Chalmers, Lunds universitet och Umeå universitet. Exempel på områden där vi redan är aktiva och framgångsrika är inom realisering av enheten för resistans (ohm) med hjälp av grafen och inom tryckmätningar baserade på kvantmetoder.

– Men vi behöver och vill göra ännu mer. För att mäta på kvantdatorkomponenter behöver man utrustning som tillåter mätningar runt 10 millikelvin och det kräver ytterligare investeringar från vår sida. Det vore också spännande att fortsätta bidra till utvecklingen av kvantnormaler, till exempel kvantrealiseringar av strömenheten ampere genom att räkna antal elektroner per tidsenhet, säger Karin Cedergren.

Vill veta mer om behoven

En svensk kvantagenda pekar också ut standardisering som ett viktigt område, där RISE har stor erfarenhet och en unik roll som oberoende forskningsinstitut. RISE har också ett särskilt fokus på att stötta små och medelstora företag, som kanske inte fullt ut har de resurser som krävs för att utveckla kvantteknologi inom företaget.

– Som oberoende forskningsinstitut kan vi jobba väldigt nära industri och näringsliv med olika tillämpningar, vi är väldigt intresserade av att veta mer om hur behovet av mätningar som stöttar kvantutveckling ser ut så att vi kan forma våra erbjudanden inom området på rätt sätt, säger Karin Cedergren.