Forestil dig, at en kat lægges i en kasse sammen med et radioaktivt materiale. Kassen lukkes, og katten er nu ude af syne og fuldstændig isoleret fra omverdenen.
Det radioaktive materiale er dødbringende, hvis det henfalder, og i sådant et tilfælde dør katten øjeblikkeligt.
Men det er også muligt, at materialet ikke henfalder. I så fald forbliver katten sprællevende og veltilpas.
Ifølge en næsten 100 år gammel teori kaldet kvantemekanikken – pioneret af den danske fysiker Niels Bohr i hans atomteori fra 1913 – kan det mikroskopiske radioaktive materiale dog også befinde sig i en tilstand af at være henfaldet og ikke-henfaldet på samme tid.
Låst inde i kassen og isoleret fra omverdenen, er kattens skæbne uafværgeligt sammenkædet med det radioaktive materiales tilstand, og den logiske konsekvens er – ifølge kvantemekanikken – at kattens skæbne også er todelt: Den er død og levende på samme tid!
Katten er i ‘limbo’
Det er fristende at afværge denne paradoksale og fornuftsstridige situation, som blot værende et resultat af manglende viden om kattens faktiske tilstand – enten død eller levende. Men også lige så forkert!
Så længe kassen forbliver lukket, er katten i limbo – den er død og levende. Det er blot vores dagligdagsbaserede intuition for naturen og fysikken, der kommer til kort, når vi bevæger os ind i den mikroskopiske verden.
Dét er et af kvantemekanikkens centrale budskaber, og hvor meget det end strider mod vores sunde fornuft, så har kvantemekanikken endnu ikke fejlet!
Tankeeksperimentet var et angreb mod kvantemekanikken
Det netop beskrevne tankeeksperiment blev oprindelig formuleret af den østrigske fysiker og Nobelprisvinder Erwin Schrödinger tilbage i 1935 som et angreb mod kvantemekanikken og et forsøg på netop at udstille teoriens ’åbenlyse’ absurditet og paradoksale konsekvenser.
Lige så paradoksalt er det måske, at netop Schrödingers kat med tiden er blevet et ikonisk symbol på kvantemekanikken og den mikroskopiske verdens forunderlighed og muligheder.
Eksistensen af kvantefysiske superpositionstilstande, som den illustreres i Schrödingers tankeeksperiment (om end uden indblanding af katte eller andre dyr) og muligheden for at danne og håndtere dem i laboratoriet, har desuden vist sig at være en hjørnesten i konstruktionen af en kvantecomputer.
Kvantemekanikkens absurditeter og ikke-intuitive natur, der ved første møde kan virke som verdensfjerne akademiske udskejelser, kan således meget vel rumme kimen til et nyt videnskabeligt gennembrud og en revolution af informationssamfundet.
’Både og’ bliver til ’enten eller’
Men hvis kvantemekanikken virkelig har trukket det længste strå, og liv og død eller lignende indbyrdes stridige tilstande faktisk kan optræde samtidigt, hvorfor oplever vi det så aldrig i vores hverdag?
Hvorfor kan vi ikke være to steder på samme tid, og hvorfor lander mønten aldrig samtidig på både plat og krone?
Dette skyldes fænomenet dekohærens: Katte og alle andre store dagligdags objekter udveksler konstant energi med omgivelserne og herved ændres både og gradvist til enten eller.
Superpositionstilstande beror på stærke sammenhænge (faserelationer) mellem indre egenskaber ved det fysiske objekt, og det er disse sammenhænge, der gradvist udviskes i kraft af kontakten med omgivelserne.
Kan sammenlignes med Sudoku
Som en noget simplificeret analogi, kan vi forestille os en sædvanlig Sudoku, hvor alle 81 felter er udfyldt med tallene 1-9. Hvis opgaven er korrekt løst, vil der være helt særlige relationer mellem de ni tal i hver række, søjle og hver af de ni små kvadrater.
Det er disse relationer, der gør det muligt at genskabe den korrekte placering af alle tallene ved kendskab til blot nogle enkelte fortrykte tal.
Er opgaven derimod ikke korrekt løst, vil relationerne kun i nogen grad være opfyldt, og hvis tallene er indsat helt tilfældigt, kan vi ikke sige meget andet, end at hvert af tallene 1-9 forekommer med en sandsynlighed på 1/9 i hvert af felterne.
Sudoku’en har kun én korrekt løsning, hvorimod de 81 felter kan udfyldes på 9^81 mulige måder ved tilfældig indsættelse!
Relationerne forsvinder under hurtig udskiftning
Lad os nu forestille os, at tallene i den korrekt løste Sudoku tilfældigt udskiftes med tal mellem 1 og 9, én af gangen (ved vekselvirkning med omgivelserne).
Efter nogle enkelte udskiftninger vil vi sikkert stadig være i stand til at genskabe den korrekte løsning i kraft af relationerne felterne imellem, men hvis udskiftningen sker for hurtigt, kan vi ikke følge med, og relationerne fortabes.
Vi ender derfor hurtigt i den situation, hvor tallene blot er fordelt med en sandsynlighed på 1/9.
Kvantemekaniske egenskaber er skrøbelige
På samme måde vil store fysiske objekter hurtigt miste deres indre faserelationer og dermed de særegne og skrøbelige kvantemekaniske egenskaber.
Den eneste måde at bevare en superpositionstilstand på er at isolere den fuldstændig fra omgivelserne, og det lader sig kun praktisk gøre med mikroskopiske objekter (enkelte atomer, ioner, små molekyler osv.) under anvendelse af yderst avancerede og perfektionerede eksperimentelle teknikker.
At gøre noget tilsvarende for hverdagens objekter er teoretisk set også muligt, men synes som ren utopi set fra et praktisk synspunkt.
Derfor byder hverdagen ikke på katte, der både er døde og levende.
Et vigtigt skridt nærmere kvantecomputeren
Det er dog et helt åbent og yderst interessant videnskabeligt spørgsmål, hvad ’store’ fysiske objekter er. Hvor går grænsen for, hvor store objekter der lader sig observere i kvantemekaniske superpositionstilstande?
Årets Nobelpris i fysik blev givet til amerikanske David Wineland og franske Serge Haroche med motivationen: ‘For ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems’ – dvs. for netop at have isoleret enkelte fysiske objekter og tæmmet dekohærensen, og derved muliggjort eksperimentel frembringelse, observation og håndtering af kvantemekaniske tilstande, såsom Schrödinger-katte.
At opnå en sådan kontrol over naturens mindste og mest flygtige objekter har gennem årtier blot været en euforiserende drøm blandt kvantefysikere, hvis man endda har troet det muligt.
I en artikel fra 1952 formulerer Schrödinger sit synspunkt i utvetydige vendinger: »In the first place it is fair to state that we are not experimenting with single particles, any more than we can raise Ichthyosauria in the zoo.«
Årets Nobelpristagere har føjet vigtige brikker til vores forståelse af den mikroskopiske kvanteverden og ikke mindst bragt den kvantefysiske forskning et vigtigt skridt nærmere udviklingen af kvantecomputeren.
Kernen i eksperimentet er en superledende kavitet
Kernen i det eksperiment, der har sikret Haroche og hans forskerkollegaer i Paris kontrol over kvanteverdenen, er en såkaldt superledende kavitet, bestående af to spejle hvorimellem enkelte fotoner – lysets bestanddele – reflekteres frem og tilbage og derved holdes fanget.
At spejlene er superledende betyder, at lyset reflekteres stort set uden tab, og at fotonerne derfor kan holdes fanget – og dermed isoleret fra omgivelserne – i mere end 0.1 sekund!
Til sammenligning ville to sædvanlige badeværelsesspejle kun holde en foton fanget i sølle tremilliardtedele af et sekund.
Svært at observere fotonerne
Én ting er at fange fotonerne, nok så kompliceret er det at observere dem.
En tømrer kan uden videre måle længden af en stolpe, uden at det på nogen måde påvirker eller ændrer stolpens egenskaber, men i kvantemekanikkens verden er det ikke så simpelt. Når vi foretager en måling, sker dette ved, at objektet forbindes med omgivelserne, og den pris, vi betaler for at trække information ud, er altså at introducere dekohærens, hvorved objektets egenskaber ændres.
Vi kan således ikke umiddelbart foretage to på hinanden følgende målinger på det samme objekt.
At måle på en enkelt indespærret foton kan sammenlignes med at finde en sæbeboble i et bælgmørkt rum blot ved at føle sig frem – ’puf’ – så snart fingrene mærker boblen, er dens tilstand ændret på afgørende vis.
Ved at lade enkelte fotoner og atomer påvirke hinanden, er det imidlertid lykkedes Haroche og hans team at detektere de fangne fotoners kvantetilstand uden nævneværdig forstyrrelse.
Niels Bohrs kontroversielle og enigmatiske kvantespring
I kraft af denne teknik og den superledende kavitets uovertrufne evne til at fastholde fotoner, lykkedes det i 2006 Haroches gruppe, som de første nogensinde, at observere den kontinuerlige spontane opståen, eksistens og lige så pludselige forsvinden af enkelte fotoner imellem kavitetens spejle – Niels Bohrs kontroversielle og enigmatiske kvantespring!
I de efterfølgende år har Paris-gruppen udnyttet deres sublime kontrol over lysets kvantemekaniske natur til at producere en række banebrydende kvanteoptiske forskningsresultater.
Ikke mindst har de formået at realisere en optisk version af Schrödingers ambivalente kat.
Ionfælder har lagt grunden
At lys og atomare partikler kan udveksle information om hinandens kvantemekaniske tilstand er ligeledes helt centralt for David Winelands forskning, hvor lys bruges til at manipulere tilstanden af individuelle ioner, fastholdt ved hjælp af elektriske kræfter og fuldstændig afskærmet fra omgivelserne.
Wineland har således formået at gøre enkelte ioner til lagringsenheder for information, der i kraft af deres kvantemekaniske egenskaber rummer langt rigere muligheder end sædvanlige computeres binære bits.
Hans arbejde med såkaldte ionfælder har lagt grunden til et selvstændigt forskningsfelt inden for kvanteoptikken, der er blandt de absolut mest lovende tilgange til realiseringen af en kvantecomputer.
Resultaterne giver ny indsigt
Set fra et grundforskningsmæssigt synspunkt er Wineland og Haroches eksperimentelle resultater ekstremt interessante, idet de giver os indsigt i lysets og atomernes indre mikroskopiske mekanismer, og den slående overensstemmelse med kvantemekanikkens forudsigelser konsoliderer teoriens centrale position i naturvidenskaben.
På trods af kvantemekanikkens umiddelbart fornuftsstridige konsekvenser, bestyrker eksperimenterne vores tillid til, at det teoriapparat Niels Bohr fostrede, faktisk giver en korrekt afspejling af den fysiske virkeligheds grundlæggende natur.
Enormt potentiale for samfundet
Fra et teknologisk og samfundsmæssigt synspunkt rummer Nobelpristagernes forskning også et enormt potentiale. Informationssamfundet er en realitet og kravene til processering, lagring og sikring af information stiger hastigt.
Siden udviklingen af integrerede kredsløb i 1958 har udviklingen af computerhardware med forbløffende præcision adlydt Moores lov: Antallet af transistorer i et kredsløb fordobles hvert andet år.
Det er dog forventeligt, at udviklingen i nær fremtid vil løbe ind i en teknologisk barriere. I 2011 lancerede Intel den til dato rekordholdende CPU, hvad angår kompleksitet: 2.6 milliarder transistorer på beskedne 512 kvadratmillimeter, svarende til godt fem millioner komponenter per kvadratmillimeter!
Smertegrænsen nærmer sig
Det er aldeles forbløffende, hvad den aktuelle fabrikationsteknologi formår, og lige så forståeligt at smertegrænsen nærmer sig.
I 2005 gav den anerkendte britiske fysiker Stephen Hawking følgende svar på spørgsmålet om, hvad der sætter grænsen for den nuværende informationsteknologi: »The speed of light and the atomic structure of matter.«
Hvis teknologien fortsat skal holde trit med informationssamfundets krav, er vi nødt til at tænke ud af boksen – og bevæge os ned i kassen sammen med Schrödingers kat.
Kvantecomputeren er en lovende kandidat til at virkeliggøre en sådan teknologisk revolution, og mulighederne for en praktisk realisering udforskes intenst i forskningsmiljøer verden over.
De logiske operationer giver størst udfordring
Der er teoretisk konsensus om, hvilke kvantefysiske processer der skal beherskes for at kunne konstruere en kvantecomputer, men hvad der er den mest fordelagtige konkrete implementering er et åbent spørgsmål.
En kvanteoptisk baseret model, hvor lyset fungerer som informationsbærende medium, har dog mange åbenlyse fordele: Informationen kan transporteres mellem brugere med ekstrem høj hastighed, og ved hjælp af optiske fibre kan lyset ledes over lange afstande med kun beskedne tab.
Den store udfordring ligger i de logiske operationer, der gør computeren i stand til at bearbejde informationen i form af beregninger, søgning i databaser, fejlkorrektion, kryptering osv.
Kvantecomputerens styrke ligger i, at disse operationer udføres ved hjælp af eksotiske kvantetilstande med langt mere righoldige egenskaber end den sædvanlige computers binære logik.
Men det er også her den virkelige forskningsmæssige udfordring ligger, da disse kvanteobjekter er yderst vanskelige at håndtere og afskærme fra dekohærensens ødelæggende effekt.
Også Danmark er med helt fremme
Med dette for øje synes tildelingen af årets fysik Nobelpris til Wineland og Haroche yderst passende.
Samtidig må prisen også betragtes som en samlet gestus til det internationale kvanteoptiske forskningsmiljø og en påskyndelse om at fortsætte den kollektive indsats for at udvikle og berige informationssamfundet.
Forskning på højeste niveau inden for kvanteoptikken er ikke forbeholdt det store udland.
Også her i Danmark kan vi mønstre en stor gruppe af stærke produktive forskningsmiljøer, der i stor stil bidrager til udviklingen af morgendagens informationsteknologi.
Både på Århus Universitet, Københavns Universitet og Danmarks Tekniske Universitet forskes der aktivt i både teoretiske og eksperimentelle aspekter af kvantecomputeren og kvantemekanisk baseret håndtering af information.
Økonomisk støtte er en betingelse for succes
En betingelse for, at det høje nationale niveau kan opretholdes, er dog, at forskningen fortsat nyder samfundets gunst i form af økonomisk støtte. Dette har altid været et vilkår for grundforskningen, da dens primære formål er at producere viden og ikke penge.
Grundforskning kan således ikke drives som en selvkørende og uafhængig forretning, men skal ses som en langsigtet investering i samfundets udvikling.
Sådan har det været siden Tycho Brahe lagde fundamentet for den moderne naturvidenskab, og sådan var det også, da Niels Bohr formulerede kvantemekanikkens grundsætninger.
Viden er vigtig kapital
Viden har altid været en vigtig kapital for landet, og investeringen deri er altid kommet mangefold tilbage.
Set i lyset af informationsteknologiens forestående udfordringer kan det kun være i samfundets interesse, at dansk forskning fortsat sætter tydelige fingeraftryk på udviklingen af nye kvanteteknologier.
Vi har muligheden for at udfylde fodsporene fra fortidens giganter og indtage en førerposition blandt kvanteoptikkens absolutte elite.
Det videnskabelige potentiale er til stede, og forskernes engagement er måske større end nogensinde.
