Kvanteteknologi: Norske sensorer er en del av den globale brikkekrigen

Chip war er navnet på en av fjorårets mest omtalte bøker. Obama har den på sin favorittliste og den ble kåret til Financial Times' business book of the year. Boka handler ikke om potetgull, men om det oljefondsjef Nicolai Tangen kaller verdens mest kritiske ressurs. 

Databrikker - hjernen i telefonen, bilen og datamaskinen - står også i sentrum av en stormaktsrivalisering mellom Kina og USA. Og gjennom European Chips Act jobber EU for å gjøre kontinentet mer selvforsynt med halvlederkomponenter som databrikker.

Kanskje ukjent for mange er at Norge spiller en rolle i den strategisk viktige halvlederindustrien.

– Norge blir gjerne sett på som et råvare-eksporterende land, med eksport av metaller, olje og laks. Men for å få ut råvarene trengs det mye teknologi, sier Mats Carlin, som leder avdeling for Smarte sensorer og mikrosystemer i SINTEF.

Han forteller at vi har en betydelig norsk industri basert på sensorer. 

Sensorer laget i Norge brukes i pasientbehandling, på havbunnen og i romteknologi, blant annet på Mars.

– Jeg kaller det en skjult industri, sier Carlin til Titan.uio.no. – Ta Tomra, firmaet bak panteautomatene, som eksempel. Vi tenker på det som et panteselskap, men teknologien i bunn er sensorer. Det er sensorer som gjør det mulig å sortere flasker etter form, vekt og materiale.

Carlin forteller at noen bedrifter ikke bare lager sensorsystemer, men også sine egne, spesialiserte mikrobrikker.

– Det finnes en skog av selskaper som bygger sin eksistens på sensorteknologi, sier han.

Veldig mange er oppstartsbedrifter i rask økning. Carlin anslår at bedrifter etablert på mikrobrikker og sensorteknologi fra Sintef har 250-300 ansatte.

Digitale øyne og ører

Hvis databrikkene er hjernen i systemet, er sensorene sansene. Begge deler har samme teknologi i bunnen.

– Sensorer er helt avgjørende for digitalisering og kunstig intelligens, sier Marianne E. Bathen, som forsker på kvanteteknologi ved UiO. Hun forklarer: – Om du skal gjøre noe digitalt krever det en måling av den virkelige verden. Du er nødt til å ta informasjon fra den fysiske verden og putte den inn i en datamaskin.

Marianne E. Bathen (til venstre) ved UiO forsker på kvantematerialer. Her med masterstudent Mariann Carlsen Frøland. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO.

– Vi kommer til å trenge flere sensorer, vi kommer til å trenge sensorer som kan måle mer nøyaktig, og de må kunne måle ting raskere og ved mer ekstreme forhold.

Det er her kvantesensorer kommer inn i bildet. Poenget med kvantesensorer er i noen tilfeller å måle ting vi ikke kunne gjøre før. Andre ganger å måle ting bedre og raskere og med høyere presisjon enn det vi gjør i dag.

Allerede i kommersiell bruk

Kvantesensorer er ikke bare en teknologi som kommer i framtiden. De er allerede tatt i bruk, til å måle gravitasjonsbølger og som atomklokker, og kunstig framstilte diamanter med en defekt i krystallstrukturen brukes til svært nøyaktige målinger på biologisk materiale.

For at navigasjonssystemer som GPS skal fungere er de avhengige av nøyaktigheten til atomklokker. Vi har altså nytte av kvantesensorer hver gang vi bruker google maps til å finne fram.

– Kvantesensorer som ikke drifter, altså som ikke endrer seg over tid, og som har stor nøyaktighet er interessant for oss, sier Terje Nilsen, direktør for disruptiv teknologi i Kongsberg Discovery.

Selskapet leverer avanserte sensorsystemer i hovedsak for undervanns-applikasjoner, basert særlig på akustikk hvor temperatur og trykk er viktige faktorer. Nilsen forteller om behovet for sensorer som kan måle stabilt over lang tid.

– At sensorene måler likt gjennom tidsserien og ikke trenger rekalibrering vil være en kjempefordel, sier han.

Innen fem år tror han de kan ha tatt i bruk kvantesensorer i noen tilfeller.

Norsk sensorindustri må følge med i utviklingen, mener han.

– Selv om det kan være en dyr og lang vei frem må vi henge på, helst bli en nøkkelleverandør til den type produkter med norsk teknologi, eller om mulig selv utvikle slike sensorer, sier han.

Han peker på viktigheten av at industri og universiteter jobber tett sammen fremover.

– UiO og Sintef er i ferd med å ta en spennende rolle i denne utviklingen, sier han.

UiO-forskning på kvantesensorer

Ved UiOs del av Mikro- og nanoteknologilaboratoriet (MiNaLab) eksperimenterer forskerne med kvantesensorer laget av halvledermaterialer.

– Det er disse materialene som brukes i sensorer i dag, og det er på dette området vi har industri og kompetanse, sier Bathen.

Silisium, for eksempel, har ordnet atomene sine i et regelmessig mønster. På laboratoriet kan forskerne med vilje lage feil i strukturen, ved å ta ut et atom og lage et hull, eller bytte ut et silisiumatom med et karbonatom. 

Slike feil eller defekter i materialet kan brukes som en sensor. Når forskerne lyser på sensoren med laser, vil sensoren sende ut lys med en bestemt energi. Dette lyset endrer seg avhengig av omgivelsene.

– Hvis jeg setter på et elektrisk felt, så kan jeg se at lyset endrer farge. Og fra den fargeendringen kan jeg regne meg fram til hvilken elektrisk feltstyrke som er satt på, forklarer Bathen.

Andre defekter kan være sensitive for temperatur eller magnetfelt. Nettopp at kvanteegenskaper er uhyre sensitive er det som skaper problemer når de skal utnyttes i kvantedatamaskiner, men for kvantesensorer er sensitiviteten en fordel.

Enormt behov for kompetanse

Selv om norsk tilknytning til EUs Chips Act ikke er helt klar ennå, er det liten tvil om at behovet for kompetanse innen halvledere og kvanteteknologi er stort og voksende.

– Europa skal bli mer selvforsynt gjennom hele verdikjeden. Det skal etableres alt fra fabrikker for mikrobrikker til kompetansesentre og mer grunnforskning, sier Vegard S. Olsen, som leder UiO MiNaLab.

MiNaLab-leder Vegard S. Olsen tror EUs Chips Act får mye å si også for Norge.

Universitetenes rolle er todelt. Både gjennom forskning som legger grunnlaget for ny teknologi og ikke minst utdanning av folk med ulik kompetanse.

– Det er en selvforsterkende spiral, sier Olsen. – Forskning og utdanning påvirker hverandre.

Også Carlin ved SINTEF peker på utdanning innen kvantesensing som “ekstremt viktig” for norsk industri. 

– Norsk sensorindustri kan ta en posisjon innen kvanteteknologi. Men for å få det til trenger vi moderne infrastruktur for å lage kvantesensorer, folk med tung teoretisk bakgrunn, blant annet for å forstå hvilke teknologiske valg de bør ta framover, sier han.

– UiOs nye studium innen kvanteteknologi er veldig riktig og viktig, sier han.

Fakta kvantesensor

Selv om sensorer allerede kan mye i dag, er det stadig et behov for å måle verden på en mer presis måte og med bedre romlig oppløsning – helst ned til nanometer-nivå. I tillegg oppfører dagens sensorer seg ofte dårligere i ekstreme forhold, som i verdensrommet eller på havbunnen.

I en kvantesensor kontrolleres kvanteegenskapene direkte, det vil si helt nede på atomnivå. På så liten skala er naturlovene annerledes, og vi bruker kvantefysikk til å beskrive dem.

Eksempler på kvanteegenskaper er superposisjon - popularisert gjennom tankeeksperimentet Schrödingers katt, og sammenfiltring - at to partikler kan dele egenskaper selv om de befinner seg langt unna hverandre, av Einstein karakterisert som “spooky action at a distance.”

Kvantesensorer er et av temaene på The Sensor Decade i Oslo i juni

Fakta: Den andre kvanterevolusjonen

Rundt år 1900 oppdaget vitenskapsfolk at verden på veldig liten skala fungerer helt annerledes enn i vår hverdag. I løpet av noen tiår ble kvantefysikken utviklet. Teknologien som ble utviklet på basis av dette, som datamaskiner, solceller og MR-maskiner, kalles den første kvanterevolusjonen.

Nå står vi midt i den andre kvanterevolusjonen, hvor kvanteegenskapene til materialer utnyttes direkte i teknologi. Store selskaper som Google, Intel, Microsoft og IBM satser på kvanteteknologi, og stadig flere startup-selskaper gjør det samme.

Selv om kvantedatamaskiner får mest omtale, er det kvantesensorene som ser ut til å gi en fordel over klassisk teknologi først.

Høsten 2024 starter UiO en egen studieretning i kvanteteknologi under studieprogrammet Fysikk og astronomi.