Kom med kvantemekanikkens skyggejægere i laboratoriet
Drilske laboratoriespøgelser, laserlys og eksistentielle spørgsmål er en del af hverdagen for to danske kvantefysikere, som du her kan følge ind i den kvanteverden, hvor de jager skygger på mindste niveau.

To kvantefysikere viser rundt i deres laboratorium og fortæller, hvorfor kvantemekanikken faktisk slet ikke er så mystisk endda. (Video: Kristian Højgaard Nielsen/Videnskab.dk)

Iført blå kittel, mørke beskyttelsesbriller, hårnet, hvide træsko og gummihandsker træder to fysikere ind i kvantelaboratoriet, der er placeret i en kælder på DTU Fysik i Lyngby.

kvantemekanik laserstråle

Den grønne laser baner sig vej over kvantebordet som bolden i et flipperspil. (Foto: Johanne Kusnitzoff)

På et cirka to meter bredt L-formet, overdækket bord står en besynderlig opstilling, der ligner en futuristisk LEGO-by med sorte, grå og røde glas- og metalkomponenter, der alle er skruet fast til bordet i forskellige vinkler. Nogle komponenter ligner forstørrelsesglas, andre er blot anonyme metalkasser med små huller og med et væld af ledninger tilkoblet.

Her foregår kvantemekanikkens sælsomme dans, koreograferet af blandt andre de to fysikere Ulrich Busk Hoff og Christian Scheffmann Jacobsen - begge postdocs i kvantefysik på DTU Fysik.

»Min del af opstillingen kører faktisk lige nu, men man kan jo ikke se det, kun på computeren her,« siger Christian Scheffmann Jacobsen og peger på en ophængt skærm ved siden af opstillingen. Her vibrerer en gul og grøn linje heftigt og indikerer, at noget rent faktisk foregår på forsøgsbordet, selvom man ingenting kan se.

Et smugkig over brillekanten

Ifølge Christian Scheffmann Jacobsen illustrerer linjerne på skærmen kvantetilstanden i lyset, der lige nu løber fra spejl til spejl på forsøgsbordet. Næsten som direktøren for et loppecirkus viser, peger og fortæller han entusiastisk om, hvad der lige nu foregår i de forskellige komponenter.

Hvad er kvantemekanik

Betegnelsen ‘kvantemekanik’ stammer fra ordet kvantisering, som oprindeligt betegnede elektroners pludselige spring fra én energitilstand til en anden - deres kvantetilstande.

Kvantemekanikken beskriver fysikkens fænomener på atom- og subatomniveau, men gør det såkaldt ‘probabilistisk’, baseret på sandsynlighed, hvor klassisk fysik er ‘deterministisk’, baseret på forudsigelighed.

Kilde: Ulrich Busk Hoff, postdoc, DTU Fysik.

»Hvis du lige så forsigtigt kigger ud over kanten af dine beskyttelsesbriller, kan du tydeligt se den grønne laser,« siger han og skubber selv sikkerhedsbrillerne en smule ned på næsen og kigger ud over opstillingen.

Straks kommer kvantebordet til live, og man ser klart det smaragdgrønne lys, der skyder ud fra boksen i hjørnet og reflekterer sig i zigzag over bordet som bolden i en flippermaskine.

Det er laserens skyld, at forskerne altid skal have beskyttelsesbrillerne på, når de er i kvantelaboratoriet, fortæller Ulrich Busk Hoff.  

»Laseren er så kraftfuld, at man kan blive delvist blind, hvis man får strålen direkte i øjnene,« forklarer han. Så efter et hurtigt glimt af laseren, er det op igen med de tonede briller, og rummet fremstår atter dunkelt, selvom det er fuldt oplyst.

»Tænk på fotonerne som hagl på et bliktag«

Men faktisk er det slet ikke den grønne laser, forskerne er interesserede i eller den, de måler på. Laseren tjener udelukkende som en energikilde, der skal sparke det rigtige kvanteforsøg i gang.

Lys i kvantefysik

Lys – ikke mindst laserlys – er et vigtigt værktøj til at teste kvantemekanikkens fænomener i praksis, fordi det kan kontrolleres og måles med meget stor præcision.

Elektronernes kvantetilstande i sig selv er svære at observere, men fordi der er stærke matematiske fællestræk mellem lysets og elektronernes kvantemekaniske opførsel, kan fysikerne via lys undersøge kvantefænomener, som før var utilgængelige.

Kilde: Ulrich Busk Hoff, postdoc, DTU Fysik.

»Lige nu måler systemet på en infrarød lysstråles kvantetilstand, og den frembringer vi ved at omdanne energi fra den grønne laser,« fortæller Christian Scheffmann Jacobsen.

Han peger på et lille hul i en grå metalboks for enden af bordet og fortæller, at det er dér, det infrarøde lys til sidst opsnappes og måles, hvilket så ender som de vibrerende linjer på computeren, som er forskernes egentlige resultater. Vibrationerne kaldes ‘støj’ og er et udtryk for lysets svingninger.

Strålingens rejse over bordet er nødvendig for at få de rigtige resultater, forklarer Christian Scheffmann Jacobsen. Turen fra spejl til spejl ensretter nemlig lyset på en måde, der skaber en mere »ordnet« lysstråle, der kan måles på:     

»Man kan tænke på fotonerne som hagl, der lander på et bliktag. Hvis haglene ikke er ordnede, lander de tilfældigt, og den støj, der fremkommer, arver denne tilfældighed. Vores proces på forsøgsbordet sorterer haglene, så de lander i par, hvilket giver et andet og mere ordnet støjbillede,« siger han.

Parvise fotoner kan blive til kryptering

Christian Scheffmann Jacobsen forklarer, at i den nu ordnede del af den infrarøde stråle måler han på, hvordan strålingens parvise fotoner påvirker hinanden. Helt specifikt drejer det sig om ændringer i fotonernes såkaldte amplitude og fase, fortæller han. 

kvante

Kvanteforskerne måler på en infrarød stråling, som dannes ved hjælp af laserlys. (Foto: Johanne Kusnitzoff) 

Det er en svær opgave, da det faktisk ikke kan defineres samtidig.

»Du kan ikke kende både amplitude og fase for fotonerne på samme tid. Aldrig. Hvis du kender den ene, kender du ikke den anden. Det er et grundprincip i kvantemekanikken,« fortæller han.

Ikke at det er et problem, tværtimod. Det kan nemlig udnyttes, hvilket netop er, hvad Christian Scheffmann Jacobsen arbejder på og netop har udgivet et nyt studie på baggrund af. Det kan du læse om i artiklen Kvantecomputere i skyen kan regne på hemmelige data.

»Man kan bruge den viden til at lave kvantekryptering af information. Hvis jeg vil sende en besked via lys, kan uvedkommende ikke vide, hvordan informationen i min besked er fordelt - på amplituden eller fasen. De kan altså kun få en del af beskeden, men aldrig hele billedet,« fortæller han.

Billedet af hånden på væggen

Dermed er god gammeldags sandsynlighedsregning en stor del af arbejdet med kvantemekanikken, så man kan have en chance for at iagttage de rigtige ting på det rigtige tidspunkt, forklarer Christian Scheffmann Jacobsen.

Men teorierne skal testes. Og det er netop, hvad der sker i kælderen under DTU.

Men hvordan gør man det, hvis det ikke er muligt at måle den fulde information i fotonerne på samme tid?

Fysikernes løsning er, at de ikke nøjes med at måle på ét fotonpar.

»Ved at gentage eksperimenterne enormt mange gange med fotoner i præcis den samme kvantetilstand og hver gang ændre en lillebitte smule på, hvordan vi måler dem, kan vi få trukket al informationen ud og til sidst dannet os et helt billede af kvantetilstanden af fotonerne,« fortæller postdoc Ulrich Busk Hoff.

Han holder sin hånd frem med spredte fingre og peger med den anden på væggen bagved, hvor der tegner sig en svag skygge.

»Det er ligesom at iagttage skyggen af min hånd på væggen - vi kan danne os et tredimensionelt billede af hånden, kun ved at kigge på skyggen, ved simpelthen at dreje hånden og tage billeder fra alle vinkler. Det er det samme, vi gør med fotonerne,« forklarer Ulrich Busk Hoff.

»Selvom det ikke virker, er det stadig fedt«

Der er derfor en relativt stor del af arbejdet med kvantemekanikken, der går ud på at indstille apparater. Men det er bare en del af det sjove, mener Christian Scheffmann Jacobsen.

kvantefysikere i deres kvantelab i deres kvanteoutfit

Meget af kvantefysikernes tid går med at rette på opstillingerne, men det er også en del af det sjove, mener de. Fra venstre er det Christian Scheffmann Jacobsen og Ulrich Busk Hoff, begge postdocs på DTU Fysik. (Foto: Johanne Kusnitzoff). 

»Det tager lang tid at få forsøgene til at opføre sig, som vi gerne vil have dem til, men det er skægt nok,« siger han, hvilket Ulrich Busk Hoff er helt enig i:

»Man må sige, at kvanteverdenen er en verden fuld af udfordringer! Det kan da være frustrerende, men selv de dage, tingene ikke virker, er det stadig fedt,« siger han.

Christian Scheffmann Jacobsen forklarer, at han og kollegerne bruger omkring 90 procent af tiden i laboratoriet på at indstille, rette, teste og fintune opstillingen, før de kan bruge de sidste 10 procent på rent faktisk at indsamle og analysere på data.

»Det er en konstant kamp mod spirende kaos,« tilføjer Ulrich Busk Hoff.

Laboratoriespøgelserne driller fysikerne

Udover kvanteverdenens generelle utilregnelighed mistænker begge forskere en bande drilske laboratoriespøgelser for at gå at skrue på opstillingerne, når ingen kigger.

»Laboratoriespøgelserne er en stor plage!« konstaterer Ulrich Busk Hoff.

»Efter weekenden er der næsten altid sket bittesmå forskydninger af tingene, så det igen ikke virker, og vi skal bruge lang tid på at rette og vinkle hver eneste lille ting,« siger han og peger med et skævt smil på det skilt, som forskergruppen i kollektiv spøg har hængt op i laboratoriet:

»All you lab ghosts - beware! You will be busted!«

kvantelaboratorie kvantemekanik spøgelser

»Laboratoriespøgelserne er en stor plage!« siger kvantefysiker Ulrich Busk Hoff om forstyrrelserne i sit kvantelaboratorie på DTU. (Foto: Johanne Kusnitzoff) 

De kvantemekaniske linedanseres optog

Opstillingen på kvantebordet består af i alt fem individuelle forsøg, herunder Christian Scheffmann Jacobsens kvantekrypteringsforsøg. Et andet af forsøgene er Ulrich Busk Hoffs eget, som lige nu kører under laboratoriespøgelsernes nåde.

Han fortæller, at opstillingen er en del af et større projekt, der har til formål at forklare, hvorfor vores makroskopiske omverden ikke opfører sig kvantemekanisk. »Hvorfor din kommode ikke kan være to steder på en gang,« som han forklarer.

På en computerskærm ved siden af kvantebordet ses et livebillede af en hvid og sort struktur med udflydende kanter. Den ligner en skæv svamp. Ulrich peger på en plade placeret under et kamera, som transmitterer billedet af objektet op på skærmen.

Danmark satser på kvanteforskning 

Grundforskningen i kvantemekanik på DTU Fysik er støttet af instituttet selv, Lundbeckfonden, Villum Fonden og Det Frie Forskningsråd.

20 millioner blev givet fra Uddannelses- og forskningsministeriet i oktober 2016 til øget forskning i kvantefysik i Danmark. 

De gik blandt andet til etablering af et nyt kvantecenter, QUANTECH, som er et samarbejde mellem DTU, KU, SDU og AU med laboratorier på både KU og DTU. 

Alle 4 universiteter spæder også til med midler til projektet, der alt i alt kommer op på 41 millioner kroner. 

Læs mere her

»Der er faktisk en hel række af dem - de er lavet af glas og er 60 mikrometer brede - se, du kan lige nøjagtig skimte dem med det blotte øje, men kun akkurat,« siger han.

På pladen ses en række af nært usynlige sorte prikker i en cirkel af lys. Loppecirkussets linedansere opstillet i en sirlig parade. Ulrich Busk Hoff forklarer, imens han peger på glassvampen, der er forstørret på computerskærmen:

»Glaspaddehattene står og svinger op og ned, hvilket vi måler ved hjælp af laserlyset. Vi forsøger så at køle paddehattene ned imod deres kvantemekaniske grundtilstand ved at ændre på lyset,« forklarer han.

Hvorfor er kommoder ikke kvantemekaniske?

Den teknik skal forskerne bruge i et nyt eksperiment, hvor de vil prøve at få et andet objekt, bestående af et par milliarder atomer, til at være to steder på samme tid.

»Det vil hjælpe os til at forstå, hvad det er, der gør, at man ikke oplever den slags med hverdagsting som kommoder,« forklarer Ulrich Busk Hoff.

Han forestiller sig, at der er en glidende overgang fra at kunne opføre sig kvantemekanisk til ikke at kunne.

»Det ville være meget ikke-fysisk, hvis der bare var en brat grænse. Men nu må vi jo se,« siger han og trækker på skuldrene.  

»For nysgerrighedens skyld«

Hvad skal vi med grundforskning?


Videnskab.dk sætter fokus på grundforskning.

Vi tager dig med helt ind i maskinrummet af grundforskningen og finder ud af:

  • hvad skattekronerne går til,
  • hvilke projekter der bliver lavet,
  • hvem der står bag og
  • hvad vi historisk set har fået ud af grundforskning.

Se hele temaet om grundforskning

Spørger man de to kvantefysikere, hvad, de mener, grundforskningen i kvantemekanikkens rige gør godt for, falder svaret prompte:

»Vores arbejde er baseret på ren nysgerrighed. Der skal ikke nødvendigvis være en grund - det er da bare fascinerende at finde ud af, hvad det er for nogle tricks, naturen prøver at lave på os med de her fænomener,« siger Ulrich Busk Hoff.

I samme ombæring tilføjer han dog, at der er en hel del anvendelsesområder i kvantemekanikken. Når forskerne har fået stillet den værste nysgerrighed og lært, hvordan kvantefænomenerne kan tæmmes, så åbner der sig en ny verden af teknologiske muligheder, hvilket der allerede er stor, global opmærksomhed på, forklarer han:

»Firmaer som for eksempel Google og Amazon mener helt klart, at det her på et tidspunkt kan bruges til noget, for de investerer enorme summer på feltet for tiden, og det samme gør mange regeringer - USA og Kina bare for at nævne et par. Overalt er der et enormt fokus på kvanteteknologi,« siger han.

Det gælder også EU, hvor en af unionens største forskningssatsninger i 2018 bliver kvanteteknologi, som der er afsat en pulje af forskningsmidler på en milliard euro.  

Kvaliteten af både at kunne se op og ned

Kvantemekanikkens reelle gennembrud er dog stadig nogle år ude i fremtiden, mener Ulrich Busk Hoff. Mindst ti til femten år, hvis han skal sætte tal på.

»På mange punkter er vi stadig på grundforskningsstadiet med kvantemekanikken, og det er endnu småt med egentlige anvendelser, men vi er ret sikre på, at det kommer,« siger han.

rummet kvante

Det er lige så vigtigt at kigge ned, som det er at kigge op, mener Ulrich Busk Hoff. (Foto: Shutterstock.com)

Selv synes han dog, at det er vigtigere med de eksistentielle svar, som forskningen i kvanteverdenen kan give os.

»Hvis vi både kan kigge op på stjernerne og tænke ‘neej, der er mange flotte ting derude, der er større end mig’, OG se ned på kvanteniveau og og lader os fascinere af, hvordan de mindste ting i stoffet, vi omgiver os med, opfører sig - så bliver det hele da meget mere spændende.«