Kvantefysikken du holder i hånda

Den har dannet grunnlaget for det moderne samfunn og baner nå vei for superdatamaskiner og kryptering som er umulig å avlytte.
20.4 2013 05:00


Transistorer brukes innen elektronikk til forsterkning, kontroll og generering av elektriske signaler.

Kvantefysikken er snart hundre år gammel og består i dag av velprøvde teorier bekreftet gjennom matematiske formler og faktiske observasjoner.

Enheten du leser denne artikkelen på ikke ville eksistert uten kvantefysikk.

– Halvledere er et kvantefenomen, forteller partikkelfysiker Bjørn Hallvard Samset ved CICERO. Samset har tidligere vært tilknyttet CERN i sveits gjennom universitetet i Oslo.

– Og det at halvlederne leder strøm på den måten de gjør danner grunnlaget for hvordan vi lager transistorer som ligger i hjertet av IT-revolusjonen, fortsetter han.

Kvantefysikk i mobilen

Halvledere skiller seg ut fra vanlige ledere av strøm ved at de kun leder strøm ved bestemte forhold. Enten ved en økning av temperatur, eller ved tilførsel av lyspartikler eller andre grunnstoffer kalt doping.

Stoffer som kan brukes som halvledere, som silisium, har fire elektroner i sitt ytterste skall. Om man tilfører energi i form av varme, lyspartikler eller doping, vil de fire elektronene kunne frigjøre seg fra atomet de er knyttet til og bevege seg fritt i en gitterstruktur dannet av for eksempel silisiumatomer.

Under kan du se hvordan halvlederne i solceller fungerer.

Disse frie elektronene kan transportere strøm. Og siden man kan manipulere halvledernes evne til å lede strøm med ytre faktorer gjør det at de har et vell av egenskaper som brukes i moderne teknologi.

Kunnskapen om hvordan elektronene agerer er grunnet i kvantefysikken.

Selv om halvledere ble oppfunnet før kvantefysikken kom på banen, var det først med sistnevntes inntog at man kunne forstå, og dermed utnytte bedre hvordan elektronene beveger seg gjennom dette gitteret av atomer som utgjør halvledere.

Samset sammenlikner forholdet vårt til kvantefysikk med hvordan vi forholder oss til olje. Vi trenger ikke bry oss om hvor bensinen til bilen kommer fra, men ser man på olje i et litt større perspektiv, ser vi hvordan den påvirker både klimaet og samfunnet.

Når vi forstår hvordan byggestenene fungerer, har vi en mye større sjanse til å manipulere stoffet til å gjøre hva vi vil. Det er da det begynner å bli spennende. Og tilsvarende vanskelig å fatte.

Kvantetekryptering

Ett spennende eksempel på et av de mer ekstreme kvantefysiske forsøkene som kan danne grunnlag for teknologi som kan ende opp i stua vår – riktignok ikke i overskuelig fremtid – er kvanteteleportering.

I september i fjor klarte europeiske forskere, blant dem norske, å kvanteteleportere en lyspartikkel over 140 kilometer. I praksis betyr det at de overførte ett fotons fysiske egenskaper til et annet ved kun å endre på det ene fotonet.


I kvanteteleportasjons-forsøket overførte forskerne et fotons egenskaper fra La Palma til Tenerife. Her ser vi den optiske stasjonen på Tenerife.

Forskerne greide det ved hjelp av noe som kalles sammenfiltring, et kvantefenomen som er i ferd med å danne grunnlaget for både kvanteteleportering, kvantekryptering og kvantedatamaskiner.

Forskerne eksperimenterer allerede med å bruke dette til å sende krypterte beskjeder. Da “beskjeden” teleporteres og ikke sendes, vil slik kryptering være umulig å avlytte for andre. Kvantekryptering vil derfor være en helt sikker måte å sende informasjon på.

Teorien i bunn er sannsynlighetsteorien som forteller oss at partiklene på kvantenivå egentlig kan være overalt samtidig.

Vinglepetter-partikler

Det samme gjelder en partikkels egenskaper. Partikkelen kan nemlig inneha alle mulige egenskaper inntil det blir målt, først da bestemmes hvilken egenskap den skal inneha.

Dette gir et kvantepartikkel egenskaper som i fremtiden kan revolusjonere datamaskinene våre. Mens datamaskiner i dag er basert på 0er og 1ere, hvor en informasjonsbit bare kan være en 1 eller 0 av gangen, vil en kvantebit (kalt qbit) på grunn av sin natur være både en 1, en 0 eller begge deler samtidig.


Bjørn Samset (Foto: Universitetet i Oslo)

For å forklare partiklenes vingling nærmere kan vi si at en partikkel er enten rød eller grønn. Det er umulig å vite hvilken farge den har, før vi ser etter. For oss er dette ganske selvsagt, men i kvantefysikken er det ikke så enkelt. Her er det to muligheter. Den mest logiske muligheten er at den har én av egenskapene, vi vet det bare ikke selv, for vi har ikke sjekket. Den andre muligheten er litt verre: Partikkelen innehar begge tilstandene samtidig.

– John Steward Bell fant ut på sekstitallet at hvis du gjør noen spesielle dobbeltmålinger, så kan du se forskjeller på disse to tilfellene. Og det var dette en fysiker ved navn Alain Aspect gjorde på åttitallet, og han fant ut at det er sannsynlighetstolkningen til kvantefysikken som stemmer. Det er sånn naturen oppfører seg, forklarer Samset.

Telepatiske tvillinger

Og her kommer sammenfiltringsteorien inn i bildet. To fotoner som fremstilles på en spesiell måte, slik at de er sammenfiltrede som to tvillingfotoner, innehar hver sin korresponderende vinkel. I teorien har begge fotonene både en vinkel til høyre og en vinkel til venstre samtidig, helt til de måles.

Hvis vi så sender disse fotonene i hver sin retning i lysets hastighet vil de være ute av stand til å kommunisere med hverandre ifølge fysikkens lover, da denne informasjonen må reise raskere enn lysets hastighet.


Albert Einsteins kalte sammenfiltringsteorien “spooky action at a distance”.

Når vi så måler det ene fotonet, slik at det bestemmes om det heller til høyre eller venstre, får det andre fotonet umiddelbart motsatt helning.

– Dette her fikk Einstein hikke av, forteller Samset.

Hvis du tar ett av de to sammenfiltrede fotonene og klusser med det, vil det andre samtidig kjenne effekten av klussingen og reagere med å endre seg til en slags forvrengt versjon av sitt tvillingfoton.

For å løse opp forvrengningen er mottakeren med det forvrengte fotonet avhengig av en spesiell type informasjon fra avsenderen, kort sagt hvordan det første fotonet ser ut etter å ha blitt tuklet med. Ved å bruke denne informasjonen kan mottakeren dekode det forvrengte tvillingfotonet, og vips så er fotonet kvanteteleportert.

Ikke avbestill flybilletten

Til tross for hvor fascinerende og banebrytende disse forsøkene er, er det ingen grunn til å avbestille flyet til Mallorca enda. Det er en hel haug med forutsetninger som skal gå i orden for å få dette til å fungere, enda flere før det kan anvendes i teknologi og så står fysikken på toppen av det hele i veien og ødelegger moroa med sine strenge regler.

For selv om den del av overleveringen skjer på et øyeblikk, gjør stegene man må ta for å kunne lese av de teleporterte egenskapene at det fortsatt er umulig å sende informasjon raskere enn lysets hastighet.

I tillegg må man bruke et tredje foton for å tukle med det første. Man overfører de fysiske egenskapene fra dette tredje elektronet, som så blir ødelagt i prosessen, til det første. Og da blir det brått mindre attraktivt å skulle la seg kvanteteleportere.

Likevel viser forsøket, og teorien bak, hvilke muligheter som åpner seg når man beveger seg ned på det minste nivået vi kjenner til. Det er naturlig få bakoversveis når man leser om hvordan partiklene oppfører seg, men kvantefysikken er like fullt mer relevant i dagliglivet enn de fleste av oss tror.

Annonse

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Annonse