Information 8. januar 2001, 1. sektion, side 6
Af Robin Engelhardt
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.