Kvantekapløbet er i gang, og gryden skal holdes i kog i dansk kvanteforskning, hvis vi skal bibeholde den nuværende, fine placering på feltet.

Det mener postdoc Ulrich Busk Hoff, der er kvantefysiker på DTU Fysik.

Derfor har han søsat et projekt, ved navn QuantumLab, hvor han inviterer landets gymnasieelever indenfor i laboratoriet i håb om at »pirre deres nysgerrighed for naturens fascinerende, mikroskopiske fænomener«, og måske endda hverve de bedste unge hjerner til fremtidens kvanteforskning.

»Vi skal sørge for at fremtidssikre Danmarks kvanteposition. Hvis vi skal ligge på et godt niveau fremover, skal vi have de rigtige mennesker med, og derfor vil vi gerne lade de unge vide allerede i gymnasiet, at muligheden er der,« siger Ulrich Busk Hoff.

Opgave: »Bevis kvantemekanikken«

Derfor kan landets videbegærlige unge nu få lov at byde kvantemekanikkens fotoner op til dans i det dertil indrettede undervisningslaboratorium Nanoteket på DTU, alt sammen under kyndig supervision af en professionel kvantefysiker. I dagens anledning Ulrich selv.

Det er der indtil videre elever fra fire gymnasier, der har benyttet sig af.

I dag er det Anna-Sophie Thein fra Espergærde Gymnasium, Gustav Staxen Lind og Alexander Buhl fra Stenhus Gymnasium, der skal i laboratoriet og klare den ydmyge udfordring at bevise kvantemekanikken.  

Dansk kvantefysiker vil gerne hverve landets gymnasieelever som fremtidens kvanteforskere. (Foto: Kristian Højgaard Nielsen)

Elever gentager historisk kvanteforsøg

Laboratoriet minder om et fysiklokale fra folkeskolen, blot med væsentligt finere udstyr. Her er de tre 3.g’ere i gang med at »optimere fiberkoblingen« på hvert deres sæt kvantemekaniske instrumenter.

Dagens udfordring er ikke helt så urimelig, som den måske kan lyde. Eleverne skal nemlig 'bare' gentage det historiske forsøg, der forårsagede et paradigmeskift i fysikken i 1982 og i og for sig ledte til en accept af, at kvantemekanikken måtte være sand.

Det drejer sig om det i kvantefysikerkredse berømte 'Bell-test eksperiment', også kaldet 'Aspects forsøg', opkaldt efter fysikerne John S. Bell og Alain Aspect, som stod for henholdsvis at fremsætte teorien og bekræfte den.

Men i dag ligger det berømte eksperiment i nye hænder.

En foton bliver til to

Eleverne lader sig ikke intimidere af de historiske vingesus og skruer og indstiller ufortrødent på hver deres kvanteopstilling i ét væk.

Hver opstilling består af en laserboks og en række spejle, der er koblet op til en computer og koster 200.000 kroner per sæt.

Hver forsøgsopstilling består af en laser og en række spejle, som kan indstilles til at måle fotonerne i forskellige tilstande. (Foto: Kristian Højgaard Nielsen, Videnskab.dk) 

Anna-Sophie Thein fra Espergærde Gymnasium har allerede helt styr på, hvordan eksperimentet fungerer:

»Laserboksen omdanner én foton til to, som udsendes parallelt videre ud i systemet af spejle, hvor deres indbyrdes elektriske felt enten svinger lodret eller vandret undervejs,« fortæller hun og peger imens på de forskellige dele, der er spændt fast på bordpladen.

To fotoner bliver til en igen

De elektriske felters svingninger kaldes fotonernes polarisation, og eleverne skal specifikt måle, hvor meget de to polarisationer hos fotonerne påvirker hinanden - altså hvor sammenfiltrede de er, fortæller Ulrich Busk Hoff.

»Kvantemekanikken forudsiger, at et par af fotoner kan frembringes i en tilstand, hvor de er så sammenfiltrede, at man ikke længere kan tale om to separate partikler. Korrelationerne imellem dem er dermed så stærke, at de ikke kan forklares med klassisk fysik, og dermed bekræfter man kvantemekanikkens tilstedeværelse,« siger han.

Anna-Sophie peger på et tal, der står i venstre hjørne på den lille computerskærm. Det er dét tal, der forhåbentlig bekræfter eksistensen af kvantemekanikken lige om lidt, fortæller hun.  

»Rent praktisk skal vi måle, om vi får en værdi, der er over 2,0 og optimalt set 2,8. Det betyder, at fotonerne er maksimalt entangled,« fortæller Anna-Sophie Thein. Dermed vil dagens opgave være løst.

»Det skal jo gerne være lidt svært«

Men helt så let går det ikke. Det gør det i øvrigt sjældent, fortæller Ulrich Busk Hoff.

Instrumenterne driller, og det ene spejl i Gustav Staxen Linds opstilling har fået en fedtplet så genstridig, at fotonerne ikke kan rejse ordentligt igennem.  

Ulrich prøver ihærdigt at rense spejlet med et stykke fnugfri serviet, men lige meget hjælper det. Målingerne bliver ved med at hoppe og danse ukontrolleret på computerens display ved siden af.

De tre linjer på skærmen måler på henholdsvis den ene og den anden foton i hvert fotonpar og så deres fælles tilstand. (Foto: Kristian Højgaard Nielsen, Videnskab.dk) 

»Nogle gange kræver det virkelig hårdt arbejde, før eksperimenterne lykkes,« siger Ulrich Busk Hoff, imens han holder spejlet op og stirrer på det med sammenknebne øjne.  

»Men det er trods alt også et paradigmeskiftende forsøg det her, så det skal jo gerne være lidt svært,« siger han med et opmuntrende smil rettet mod Gustav Staxen Lind.

Succes: Kvantemekanikken findes stadig

Da der er gået en god halv time med at rense, skrue og dreje på Gustavs opstilling, må Ulrich Busk Hoff give fortabt, og Gustav må overtage et andet sæt instrumenter.

»På den positive side, illustrerer det meget godt, hvordan det rigtige arbejde med kvantemekanik foregår,« siger Ulrich til eleverne.

Efter at have tilset de andre to elevers opstilling siger Ulrich Busk Hoff god for, at instrumenterne nu er kalibrerede korrekt. Anna-Sophie Thein kører eksperimentet som den første. Hun får en værdi på 2,4. Succes. Hun smiler og skriver tallet ned på sin blok.

Et sekund efter lyder der også et udråb fra Alexander Buhl fra Stenhus Gymnasium: »2,5!«

Gustav Staxen Lind får også en måling på over to med det nye sæt instrumenter.

Kvantemekanikken står altså endnu.

»Alle kan lære det, hvis de vil«

På trods af de tekniske problemer er Gustav Staxen Lind overrasket over, at det ikke var sværere end som så at lave kvanteforsøg, fortæller han.

»Kvantefysik er ikke så svært, som man tror. Hvis du vil, kan du forstå det. Det sværeste er at få forsøget til at virke.«

Netop sådan en udmelding, havde Ulrich Busk Hoff håbet, ville være konklusionen på dagen i laboratoriet, fortæller han.

»Langt hen ad vejen er det op til os fysikere at formidle kvantefysikken på en måde, så de fascinerende finurligheder i naturen, der driver vores egen nysgerrighed, virkelig brænder igennem. Så kan man godt gemme den hardcore matematik til senere og i stedet illustrere, hvad det er for noget fysik, og hvad kan det kan bruges til,« siger han.

»Mere vanskeligt er det måske heller ikke.«