Danskere løser årtier gammelt kvantemekanisk problem
Danske forskere jubler. Nu kan de endelig beregne, hvordan atomer opfører sig i den virkelige verden.

Skal man regne på atomers indbyrdes påvirkninger, skal man holde tungen lige i munden. Det har danske forskere haft og fundet en løsning på et kvantemekanisk problem, der har eksisteret siden 1930'erne. (Foto: <a href="http://www.shutterstock.com/cat.mhtml?lang=da&language=da&ref_site=photo... target="_blank">Shutterstock</a>)

Inden for den mikrofysiske verden og kvantemekanikken har det siden kvanteteoriernes fødsel været meget svært for forskere at regne ud, hvordan enkelte atomer opfører sig i forhold til hinanden.

Forskerne har kunnet lave teoretiske beregninger på papir, men det har knebet gevaldigt med at overføre det til den virkelige verden.

Nu har danske forskere fundet en formel til, hvordan de kan inkludere den virkelige verden i deres beregninger.

Formlen hjælper blandt andet forskerne med at regne ud, hvordan transport af information fra atom til atom kan optimeres. Det er en af nødvendighederne, hvis vi en dag vil lave kvantecomputere.

»Problemet har været at beregne, hvornår atomerne gør det ene eller det andet i den virkelige verden. Vi har kunnet beregne det i teorien, men når vi laver eksperimentelle forsøg og putter data ind i eksisterende modeller, går det galt. Det problem har vi endelig løst,« fortæller en af forfatterne bag studiet, lektor Nikolaj Thomas Zinner fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

Den danske formel, der løser forskernes problem fra 1930'erne, lige efter kvantemekanikkens fødsel, er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature Communications.

LÆS OGSÅ: Danske forskere viser en ny vej mod kvantecomputere

Studie gør forskere klogere

Anders S. Sørensen, som er professor i teoretisk kvanteoptik ved Niels Bohr Institutet, har ikke deltaget i det nye danske studie, men han har læst det og synes, at det er meget interessant.

»Det er interessant, fordi det giver os et værktøj til at regne på noget, som vi ikke har kunnet regne på førhen. Studiet gør os klogere, og det løser et problem, som vi har haft meget svært ved at løse,« lyder roserne fra Anders S. Sørensen.

Derfor er noget jern magnetisk, mens andet ikke er

Hvad forskerne præcis har fundet ud af, er bedst forklaret med et eksempel:

Forestil dig en lang række atomer, der sidder som perler på en snor.

Alle atomer har et såkaldt magnetisk moment, det vil sige en magnetisk retning eller 'spin', der enten peger op eller ned. Det er en basal egenskab, som mange atomer har.

Atomernes samlede magnetiske moment afgør, om det materiale, som atomerne udgør, er magnetisk eller ej.

  1. Hvis alle atomernes spin peger i samme retning, er materialet ferromagnetisk (det vil sige magnetisk)
  2. Hvis hvert andet atom eksempelvis peger op, og hver andet peger ned, er materialet antiferromagnetisk (atomerne arrangerer sig på en bestemt måde, så materialet ikke er magnetisk).

På den måde kan ét stykke jern være magnetisk, mens et andet stykke jern ikke er magnetisk. Atomernes samlede spin afgør, om jernet er det ene eller det andet.

LÆS OGSÅ: Hvordan fungerer magneter?

Hidtil har forskerne kunnet regne på den perfekte verden

Om atomernes magnetiske moment peger op eller ned, afgøres blandt andet af de andre atomer i nærheden.

Tag eksemplet med den lange perlerække af atomer igen. Her afgør hvert atoms påvirkning af hinanden, hvordan naboatomernes spin ser ud.

Det kan eksempelvis være, at hvis et atom har et spin op, så har naboen til venstre et spin ned. Og her kommer forskernes problem så ind i billedet.

Hidtil har forskere været i stand til at beregne, hvordan hele rækken af atomer ville komme til at se ud, hvis forskerne vendte det magnetiske moment på ét af atomerne fra for eksempel op til ned.

De har kunnet regne ud, hvordan informationen om det vendte atom ville brede sig til alle andre atomer, og hvordan de andre atomer så ville opføre sig, og hvordan de ville vende – altså hvordan alle atomerne ville vende, hvis forskerne bare vendte ét atom om.

Ny formel inddrager landskabet

At regne det ud er i sig selv en stor bedrift, og formlen til at gøre det er da også lavet af nobelprisvinder Hans Bethe, der er en af kvantemekanikkens 'grand old men'.

Ikke desto mindre har problemet for forskerne været, at de kun har kunnet beregne atomernes opførsel i den ideelle verden, hvor atomerne sad på en pæn række, og hvor omgivelserne ikke havde nogen betydning.

Men omgivelserne har en betydning, og først med den nye danske formel er det muligt at inddrage dem i forskernes beregninger.

»Vi kan nu for første gang regne på, hvordan atomernes magnetiske moment er afhængigt af hinanden i et atomlandskab. Det vil sige, at vores formel inddrager de lokale betingelser eller 'landskaber' for hvert atom i beregningen. Det kan være, at atomerne sidder lidt oppe eller lidt nede eller er lidt tættere på atomet til højre. Alt det er med i vores model,« siger Nikolaj Thomas Zinner.

Kan optimere kvantecomputere

Det interessante, i at forskerne har fået atomernes landskab med i deres beregninger, er, at forskere forholdsvis nemt kan ændre på landskabet eksperimentelt, det vil sige de ydre fysiske rammer omkring atomerne.

Det betyder, at forskerne nu kan regne på, hvordan et atomlandskab eksempelvis skal se ud for at få atomerne til at opføre sig på specifikke måder.

Det kan eksempelvis være, når forskerne vil have alle magnetiske momenter til at pege i én retning, eller hvis forskerne vil optimere overførelsen af den information, der kommer fra den ene ende af landskabet til den anden, når ét atom bliver vendt om.

»Det er den slags, man blandt andet er interesseret i at kunne i kvantecomputere. Man vil gerne kunne lave kvantemekaniske systemer, hvor informationen om atomernes magnetiske moment breder sig hurtigt og forudsigeligt til andre atomer og til sidst ender ved en eller anden form for modtager. Vores formel viser, hvordan man kan optimere processen,« siger Nikolaj Thomas Zinner.

Anders S. Sørensen peger på, at vi ikke skal forvente, at den nye forskning munder ud i ny teknologi til mobiltelefoner eller noget andet i den retning lige foreløbig.

»Men på den lange bane kan det hjælpe os til at forstå, hvordan materialer i naturen er opbygget, og det måske kan hjælpe os med at designe nye materialer langt ude i fremtiden,« siger Anders S. Sørensen.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.