En sammenfiltret hob

Danske forskere har koblet to kvantemekaniske egenskaber til et resultat, der i teorien kan bruges til at bygge lynhurtige kvantecomputere.


Partikelfysikere fra Aarhus Universitet har offentliggjort en artikel i fagbladet Nature, der vil blive citeret meget, den dag den første kvantecomputer vil blive bygget. Emnet er et af de mest komplicerede og også mest besynderlige fænomener, som man kender i naturens fysik: Atomare partikler, der kender til hinandens gøren og laden, selv om de er fjernet lysår fra hinanden.

Fænomenet hedder entaglement en spøgelsesagtig sammenfiltring af partikler. Om det siger Ph.D. Anders Sørensen, der er forfatter til artiklen, til Information: »Vi må konstatere, at naturen opfører sig mærkeligt. Kvantemekanikken giver opskriften til at regne alt ud, så man kan godt kalde det, vi laver, en slags kvantemekanisk ingeniørarbejde. Men jeg ved ikke, om man af den grund kommer dybere ned i en forståelse af entaglement.«

Spøgelser på spil
I 1935 formulerede Albert Einstein sammen med fysikerne Boris Podolsky og Nathan Rosen det såkaldte ERP-eksperiment, som skulle afsløre de urimeligheder, som findes i den kvantemekaniske verden. Tankeeksperimentet var designet på en sådan måde, at dens konsekvenser var så ulogiske, at ethvert menneske med forstand i hovedet burde forkaste Heisenbergs og Bohrs ideer. Det var Einsteins position. At en elektron kunne være både en partikel og en bølge var ikke det største problem for ham.

Værre var det, at et samtidigt kendskab til forskellige egenskaber ved elektronen, som f.eks. dens bevægelse, eller moment, og position, ikke var muligt. Det siger Heisenbergs usikkerhedsrelation. Dette i bund og grund statistiske syn på virkeligheden brød Einstein sig ikke om. »Gud spiller ikke terninger« var hans berømte kommentar til den sag. ERP-eksperimentet gik ud på at skyde to kvantekorrelerede partikler fra en kilde afsted i modsat retning. Venter man indtil de er lysår fra hinanden, og måler moment ved den ene partikel og position ved den anden, vil man på grund af den forvente symmetri i deres bevægelse kunne få en eksakt beskrivelse af begge partikler. Dette er i modstrid med kvantemekanikken, der ikke tillader sådanne eksakte beskrivelser.

Resultatet er altså et paradoks, der kun kan godtages af kvantemekanikken, hvis man antog, at partikler kommunikerer hurtigere end lysets hastighed, hvilket er i modstrid med relativitetsteorien. I mange år kunne man ikke afgøre sagen. Men i 1982 udførte Alan Aspect et ægte ERP-forsøg, som bekræftede Bohrs og Heisenbergs position: »Selv hvis information, der bevæger sig hurtigere end lyset, er nødvendigt (...), er det ikke muligt på samme tid at bestemme både positionen og momentet af en partikel,« skrev Aspect i sin artikel.

Kvantemekanikken holdt altså vand, men ikke på en sådan måde, at relativitetsteorien blev gendrevet. Konklusionen var tværtimod, at de to partikler var i en tilstand af sammenfiltring eller med fysikeren Erwin Schrödingers ord »entanglement« således at deres information er indskrevet i deres fælles egenskaber.

Denne »kvantekorrelerede informationsoverlejring« gør to partikler til en slags siamesiske tvillinger, der ikke kan foretage sig noget, uden at den anden reagerer. I modsætning til de to siamesere, er elektronerne eller atomerne dog ikke i fysisk kontakt. I dag ligger interessen for entaglement primært i dens tekniske anvendelsesmuligheder. Hvis man kunne lave en kvantecomputer, som styres ud fra entaglede atomer, ville den kunne udføre beregningsmæssige opgaver langt hurtigere end de største computere i dag.

Bose og Einstein
Desværre er det meget svært at bygge sådan en computer i praksis. En kvantecomputer vil kræve, at man lavede entanglede tilstande af flere tusinde atomer. Indtil videre er man kun kommet op på fire atomer ved hjælp af en teori, der er blevet udviklet af professor Klaus Møller fra Aarhus Universitet sammen med Anders Sørensen.

I den nye artikel i Nature viser Sørensen, hvordan man i princippet vil kunne lave entaglement af et meget stort antal atomer. Løsningen er et Bose-Einstein kondensat.

Bose-Einstein kondensater blev opdaget i 1995, da Eric Cornell og Carl Wieman viste, at atomer ved 0,000.000.435 grader over det absolutte nulpunkt er karakteriseret ved at alle atomer er i én og den samme kvantetilstand. Fysikerne Satyendra Nath Bose og Albert Einstein havde i 20 rne og 30 rne forudsagt, at kvantemekanikken tillod atomer at være i sådanne mærkelige tilstande og med meget specielle egenskaber til følge.

Men ifølge Heisenbergs usikkerhedsrelation gælder der, at jo bedre vi kender en partikels bevægelse, desto mindre kan vi kende til dens position. I Bose-Einstein kondensatet bliver atomernes positioner derfor nødt til at tværes ud og overlappe hinanden, så der dannes et slags superatom bestående af alle atomer i samme tilstand (så de kan beskrives ud fra samme bølgefunktion ). I denne kuriøse tilstand, som altså kun kan opnås under meget ekstreme forhold, har forskere med held fisket efter mange mærkelige fænomener inden for partikelfysikken.

Eksponentiel vækst
Anders Sørensen og hans samarbejdspartnere fra Østrig har som de første koblet dette kondensat til entaglement.

Anvendelsesperspektiverne er store inden for emner som kvanteteleportation, atomure men især IT. I modsætning til en normal computer, hvor man i en enkelt bit kan gemme enten 0 eller 1 (svarende til slukket eller tændt), så kan man i kvantecomputeren gemme både 0 og 1 i en enkelt bit. Ved at have mange 'kvantebit' sammen i et register stiger antallet af mulige tal, der kan gemmes og regnes på, eksponentielt.

Indtil videre er det dog udelukkende et teoretisk stykke arbejde, som de århusianske fysikere har gjort. Men Anders Sørensen håber på, at ideerne vil blive virkeliggjort meget snart: »Vi håber på, at der er nogen, der begynder med at lave nogle eksperimenter nu,« siger han.


Sørensen, A., Duan, L.-M., Cirac, J.I. & Zoller, P., Nature 409, 63-66 (2001) 

0 comments:

There was an error in this gadget