Kvantesensorer kan redde oss dersom GPS-en slukkes
Kvantefenomener som superposisjon, kalde atomer og diamanter med innebygde feil kan sørge for at fly, skip og kjøretøy finner veien dersom for eksempel GPS-signalene blir borte.
Når Max Planck ser deg rett i øynene med sitt mest skeptiske blikk, da gjelder det å sitte stille, si minst mulig og høre nøye etter.
Som en gammel og streng lærer fikk den tyske fysikeren æren av å åpne frokostseminaret som Forsvarets forskningsinstitutt (FFI) arrangerte i Oslo i begynnelsen av juni. Det bar tittelen «Kvantesensorer for Forsvaret».
I en fullsatt Deichman-sal fylte det lerretet, det ikoniske bildet av Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947). Han var fortsatt like dyster som da han ble portrettert av fotograf Hugo Erfurth i 1938.
Planck regnes som selve grunnleggeren av kvantefysikken. Arbeidet sikret ham nobelprisen i fysikk i 1918. Han har gitt navn til Plancks konstant. Det samme gjelder Max Planck Gesellschaft og dets mange tilhørende forskningsinstitutter.
Med kaffe og croissanter i hånd ble publikum umiddelbart minnet på det Plancks etterkommere har skapt. Kvantemekanikk er ikke lenger bare teoretisk science fiction og teori for de få. De nyeste avleggerne er i ferd med å bli veldig relevante for Forsvaret.
Kvante kalles gjerne «den nye KI», men hva innebærer i så fall det?
Kvante 2.0
Vi har vært omgitt av kvanter i mange tiår: Forskningsdirektør André Pettersen og seniorforsker Kristoffer Hunvik ved FFI startet med å minne salen om at vi allerede lever i en verden prisgitt den første kvanterevolusjonen. Transistoren, lasere, mikroprosessorer, til og med atombomben, alle sprang ut av at forskerne forsto mer og med av kvantemekanikken.
– Denne mekanikken er naturens operativsystem, fastslo Hunvik.
– Men der vi før bare observerte og utnyttet store samlinger av partikler, er vi nå i gang med «Kvante 2.0». Nå kan vi kontrollere enkeltpartikler gjennom en høyteknologisk verktøykasse. Den består av kvantiserte energinivåer, superposisjon og sammenfiltring, sa FFI-forskeren.
Hvorfor haster FFIs arbeid med å utnytte disse fenomenene i praksis? Svaret er brutalt: Det finnes ingen andreplass i krig. Med økende sabotasje, jamming og russisk GPS-spoofing (forfalsket avsenderinformasjon) helt ned på bakkenivå i Finnmark, er Forsvaret sårbart. Et langvarig GPS-bortfall alene er anslått å koste det norske samfunnet mange milliarder.
Kvantesensorer er den første teknologien i den nye bølgen som er moden nok til å løse dette akutte problemet. Slike sensorer tillater helt skjult, autonom navigasjon i tilfelle satellitter er satt ut av spill.
Veiene til ekstrem nøyaktighet
Forsker Jacob Benestad overtok scenen for å fortelle mer om hvordan FFI konsentrerer forskningen og lab-aktiviteten sin. Når han og kollegene ser på sensormulighetene, handler det om tre kategorier.
Den første er Rydberg-atomer, oppkalt etter den svenske fysikeren Johannes Rydberg (1854-1919). Det handler om elektroner som befinner seg langt unna kjernen, slik at atomet oppfører seg på en spesiell måte. Ved å strekke elektronbanene til alkali-atomer med laser, skapes det sensorer med ekstrem følsomhet for elektromagnetiske bølger.
Det andre alternativet er nitrogen-vakans i diamanter: Ved å bytte ut et karbonatom i en diamant med et nitrogenatom ved siden av et tomrom, lager forskerne et kunstig atom. Dette reagerer på eksterne magnetfelt på en måte som kan avleses optisk med laser og mikrobølger.
Den tredje tilnærmingen handler om kalde atomer: Ved hjelp av lasere kjøles atomer ned til de nesten står stille. Når disse slippes, kan en måle nøyaktig hvordan de faller. Det skjer ved å utnytte superposisjon, altså at et atom kan være i to tilstander samtidig. Hvis noen her tenker på Schrødingers både levende og døde katt, er det nettopp denne siden av kvantemekanikken det er snakk om.
Kampen mot avdrift
Så hvordan skal kvantesensorene brukes i praksis? Seniorforsker Stein Kristiansen tok forsamlingen med inn i navigatørenes verden. Treghetsnavigasjon er en gammel og velkjent metodikk for å måle et fartøys bevegelse. Her brukes treghetssensorer som er raske og fungerer ganske bra. Problemet er at de drifter over tid. Det for eksempel en flyver får vite gjennom en slik sensor kan etter hvert gi store feil. Løsningen er å justere med GPS-signaler, som er presise. Problemet er at de kan forsvinne i en krisesituasjon.
Kvantesensorer basert på kalde atomer han det motsatte problemet: De er ekstremt nøyaktige og har null drift, men de måler altfor sakte til å holde følge med et kampfly eller et kjøretøy i fart.
Løsningen er hybridsensorer. Ved å koble treghetsnavigasjon sammen med en kvantesensor, kan den tradisjonelle sensoren ta av seg de raske bevegelsene mens kvantesensoren hele tida justerer feilene. Løsningen er et stykke fram, fordi den krever en komplisert arkitektur av demping, stabilisering og skjerming.
Kristiansen pekte også på geofysisk navigasjon, der kvantesensorer leser jordas gravitasjon og magnetfelt som en form for unike fingeravtrykk. Dette er noe FFI allerede har begynt å jobbe med. Her er den store flaskehalsen foreløpig ikke bare sensorene, men også kvaliteten på de grunnlagskartene en trenger.
Veien ut av laben
Frokostmøtet ble rundet av med en engasjert panelsamtale. Her møttes forskerne Hunvik og Kristiansen, sersjantmajor Cato Pettersen fra Forsvaret og direktør for banebrytende teknologier i Kongsberg-gruppen Terje Kvante Nilsen. Debattleder Grethe Skaugvoll lurte på mellomnavnet hans. Nilsen bekreftet at kvantemekanikken nå fyller så mye av hverdagen at han søkte om å få dette navnet, pluss at bilen hans nå bærer skiltet KVANTE.
Konklusjonen fra panelet var tydelig: Kvantesensorer er ikke lenger bare en teoretisk øvelse i lukkede laboratorier. Teknologien er på vei ut i virkeligheten, selv om innfasingen vil skje gradvis.
Satser tungt
FFI satser nå tungt på forskning, rådgivning og prototypeutvikling i sitt eget kvantelaboratorium. FFI samarbeider også med sivile forskningsmiljøer og med internasjonale partnere på dette feltet.
Via industripartnere som Kongsberg rettes blikket fremover mot for eksempel miniatyrisering, forsterkning og støyhåndtering.
– Vi har ikke noe ønske om eller kapasitet til å forske på kvantesensorer. Men vi kan bidra den dagen teknologien skal omsettes i faktiske produkter, sa Terje Kvante Nilsen.
Da lysene ble tent i Deichmansalen satt tilhørerne kanskje igjen med to inntrykk: Det ene var at det FFI forsker på ikke er så helt uforståelig likevel. Det andre var at framtidas forsvar også handler om å mestre de aller minste byggesteinene i universet.
Max Planck ville nok ha nikket anerkjennende til det hele.