Partikeldressyr i kvantvärlden

Kvantfysik beskriver en för ögat osynlig mikroskopisk värld som motsäger vår intuition och erfarenhet. Individuella partiklar vistas på flera platser samtidigt och uppträder som de aldrig får göra i grupp. De antar flera olika tillstånd på en gång, något som fysiker kallar superposition. I den mikroskopiska kvantvärlden råder osäkerhet och ren slump. Även om tolkningen av kvantfysiken fortfarande kan vålla huvudbry är den mycket väletablerad inom den moderna forskningen. Den beskriver mikrovärlden och har fungerat oklanderligt i nästan ett sekel. Till exempel bygger en laser med alla sina tillämpningar  – i cd-spelare, streckkodsläsare i affären, ögonkirurgi och mycket annat – på kvantfysiken. Länge var det omöjligt att få inblick i kvantvärlden. De individuella partiklarna är svåra att isolera, och de förlorar sina säregna kvantegenskaper så snart de växelverkar med sin omgivning. Så många av de till synes orimliga kvantfysikaliska fenomenen har aldrig kunnat observeras direkt, utan experimenten har fått genomföras i tanken. Ett sådant tankeexperiment föreslog den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger. Liksom andra grundare av kvantteorin kämpade han länge med att begripa och tolka dess utsagor. Han frågade sig varför vi till vardags inte upptäcker kvantfysikens minst sagt bisarra sidor av vår värld. För att belysa de absurda konsekvenserna av att kliva mellan den lilla kvantvärlden och vår vanliga stora värld, hittade Schrödinger på ett exempel med en katt. Schrödingers katt sitter instängd i en låda. Lådan är försedd med en flaska dödlig cyanid. Flaskan öppnas bara då en radioaktiv atomkärna sönderfaller. Sönderfallet styrs av kvantmekanikens slumpvisa lagar. Tittar man inte efter, har atomen både sönderfallit och inte gjort det. Och då är katten i lådan både död och levande. Är man däremot det minsta nyfiken och kikar in i lådan riskerar man att döda katten – superpositionen av kvanttillstånden är känsliga för kontakt med omvärlden och kollapsar omedelbart till en av de två möjliga utgångarna. Helt galet, tyckte Schrödinger, som till och med har försökt be om ursäkt för att ha bidragit till den kvantfysikaliska förvirringen. Årets Nobelpristagare har i sina mycket sinnrikt utformade försök lyckats visa hur en mätning påverkar ett kvantsystem så att det kollapsar och förlorar sina märkliga egenskaper. I stället för katten fångar Haroche och Wineland enstaka kvantpartiklar och försätter dem i just ett sådant dubbelt tillstånd som Schrödinger beskrev med sin katt. Så kan de undersöka partiklarna, kontrollera dem, flytta om och räkna. Dressera men inte röra. För då brister förtrollningen. David Wineland håller elektriskt laddade atomer, joner, i en fälla och styr dem med ljus, alltså fotoner. Serge Haroche gör tvärtom – styr fotoner med atomer som sänds in i fällan. För att minimera störningar, som värmerörelser och strålning, görs experimenten i vakuum, och partiklarna kyls ner till extremt låga temperaturer. Båda pristagarna har för första gången steg för steg kunnat visa kvant-kattens födelse, liv och död, då den möter verkligheten utanför kvantvärlden. På Serge Haroches laboratorium i Paris får mikrovågsfotoner studsa fram och tillbaka i en liten fälla med två speglar placerade knappt tre centimeter från varandra. Speglarna av det metalliska ämnet niob är supraledande och nerkylda nästan till absoluta nollpunkten. Tack vare deras reflektionsförmåga, som överglänser allt annat i världen, överlever en foton i fällan under rekordlång tid: över en tiondel av en sekund. Innan den försvinner hinner fotonen färdas lika långt som ett varv runt jorden – 40 000 kilometer – och vara med om diverse försök på vägen. Fotonerna (i mikrovågsområdet) i fällan försätts i ett tillstånd där de samtidigt har två motriktade faser, ungefär som ett stoppur med en visare som går med- och moturs på samma gång. Både för att försätta mikrovågsfotonerna i deras ömtåliga tillstånd och för att testa dem används specialpreparerade rubidiumatomer, kallade Rydbergatomer, efter den svenske fysikern Janne Rydberg. En Rydbergatom är gigantisk jämfört med vanliga atomer – med en radie på 125 nanometer är den 1 000 gånger större. Atomerna, även de i ett kattliknande tillstånd, sänds genom fällan en i taget med en noga utvald hastighet, så att växelverkan mellan mikrovågorna och atomen sker på ett kontrollerat sätt och inte förstör fotonerna i fällan. Ytterligare en oförklarlig kvantegenskap hos partiklarna utnyttjas vid experimenten – den så kallade sammanflätningen. Även denna beskrevs av Erwin Schrödinger och innebär att två eller flera kvantpartiklar utan direkt kontakt ändå känner av varandras karaktärsdrag och kan påverka varandra. Partiklarna sägs vara sammanflätade. När atomen sedan lämnar fällan är mikrovågsfotonerna opåverkade kvar därinne. Men sammanflätningen med mikrovågsfältet får atomen att skifta fas, det vill säga att om atomen beskrivs som en våg så har vågens toppar och dalar förskjutits, vilket bekräftas vid utgången. Med en liknande metod kunde Serge Haroche några år senare räkna fotonerna i fällan, ungefär som stenkulor i en skål. Det låter enkelt, men är en enastående framgång för experimentell fingerfärdighet. För vanliga stenkulor gäller nämligen inte den så kallade Heisenbergs osäkerhetsprincip, vilken rör till den kvantfysikaliska fotonräkningen. Osäkerhetsprincipen sätter en gräns för hur exakt vissa fysikaliska egenskaper i mikrovärlden kan anges. Är till exempel partikelns rörelsemängd exakt känd, kan läget inte fastställas med samma precision. Det har ingenting att göra med noggrannheten i själva mätningen, utan Heisenbergs osäkerhetsprincip finns inbyggd i naturens kvantlagar. Serge Haroche har dock lyckats att nå så långt som det är möjligt för att kringgå osäkerhetsprincipen. Han lyckades få ett exakt svar på frågan om hur många fotoner som dyker upp i fällan på bekostnad av att en annan egenskap suddats till – osäkerheten gäller olika egenskaper parvis. Här var det mikrovågornas fas som fick bli oskarp. För första gången följdes kvantsystemets kollaps steg för steg i realtid, allteftersom Rydbergatomerna skickades in en och en genom fällan. Från en otydlig sammanblandning av tillstånd trädde så småningom konturerna fram av ett antal fotoner i fällan. Upp till sju fotoner lyckades forskarna plocka ut ur kvantdimman, men slumpen styr vilket antal, mellan en och sju, det blir. David Wineland tillämpar ett annat sätt för att undersöka och utnyttja kvantvärldens mångtydighet. Omgivna av elektriska fält hålls positivt laddade berylliumatomer, joner, i hans jonfälla på laboratoriet i Boulder, Colorado. Hemligheten bakom genombrottet är att bemästra konsten att med laserpulser minimera jonernas värmerörelser, det vill säga temperaturen, till nästan noll. Då hamnar jonen i sitt lägsta energitillstånd. Med laserljus lyfts så den superkylda jonen ett snäpp upp i energinivåerna. Men pulsen räcker bara till för att lyfta jonen halvvägs mot en högre energinivå, så den lämnas mitt emellan, där sannolikheten för att hamna i båda energinivåerna är lika stor. I likhet med fotonfällan kan många kvantkonster utföras inne i jonfällan. Till exempel kan jonen belysas med ännu en laserstråle så att den till synes splittras och upptar två platser i rummet samtidigt. Ju längre avståndet är, desto snabbare kollapsar jonens splittrade tillstånd. Jonen kan också med en utvald laserstråle fås i ett annat kattlikt tillstånd, där den roterar med- och moturs samtidigt. Flera joner kan användas samtidigt i fällan; deras positiva elektriska laddning håller dem ifrån varandra. Det senaste rekordet slog en grupp fysiker i Innsbruck, Österrike, som lyckades fånga 14 kvantfysikaliskt sammanflätade joner i samma fälla. David Wineland och hans forskargrupp har utifrån jonfällans kvantfysik konstruerat en klocka som är hundra gånger noggrannare än den nuvarande klockstandarden, cesiumklockan. Till skillnad från cesium, som tickar i mikrovågsområdet, använder jonklockor synligt ljus, därav namnet: optisk klocka. Den optiska klockan kan bestå av enbart två joner. Då ger den ena av dem tiden medan den andra läser av klockan och meddelar resultatet. Precisionen hos denna mikroklocka är 10^–17, vilket betyder att den nya optiska klockan skulle ha släpat efter med cirka fem sekunder under universums hela livstid – från big bang för 13,75 miljarder år sedan till i dag. Med en sådan exakt tidmätning kan flera av den moderna fysikens gåtfulla effekter undersökas. Som tidens flöde. Enligt relativitetsteorin är tid sammanlänkad med rörelse och gravitation. Ju högre hastigheten är eller ju starkare gravitationen är, desto långsammare flyter tiden. Det är sällan som vi i praktiken märker detta, men en konsekvens av teorin är att atomklockorna på GPS-satelliter rutinmässigt måste korrigeras, eftersom gravitationen är svagare på flera hundra kilometers höjd över jordytan. Nu kan den nya optiska klockan mäta skillnaden i tidsflödet, redan när hastigheten ändras med mindre än 10 meter i sekunden eller när gravitationen ändras till följd av en höjdskillnad på 30 centimeter. Noggrannare mätningar kan också komma att skaka om våra grundläggande uppfattningar om världsalltet. Dessa vilar på en bild av naturkonstanter som oföränderliga. Ljusets hastighet, elektronens laddning, gravitationskonstanten och flera andra anses vara bestämda en gång för alla, och dessutom vara likadana i hela universum. Hade det varit annorlunda skulle universum inte vara sig likt. Fast varför konstanterna har de värden som de har, är fortfarande ett mysterium. Dessutom kan det hända att de ändras över tid. En sådan misstanke har sedan en tid tillbaka gällt den så kallade finstrukturkonstanten. Den beskriver den elektromagnetiska kraft som håller ihop atomen, och där bland annat ljushastigheten och elektronens laddning ingår. Ändras finstrukturkonstanten det minsta kan den nya optiska klockan komma att avslöja det. En annan tillämpning av kvantfysikens märkliga fenomen som redan tagit sina första trevande steg är en kvantdator. Båda pristagarna har studerat möjligheten och utfört försök för att denna sedan länge närda dröm ska kunna uppfyllas. Kvantdatorns oerhörda potential ligger i att partiklarna kan finnas i flera tillstånd samtidigt, och då kan kvantdatorn utföra beräkningar på många tal samtidigt. Så sker inte i en klassisk dator, där den minsta informationsbäraren är en bit, som antingen kan vara 1 eller 0. I en kvantdator kan den grundläggande byggstenen – kvantbit eller qubit – vara 0 och 1 på samma gång. Både död och levande, alltså. Två kvantbitar kan anta fyra värden – 00, 01, 10 och 11 – och varje ytterligare kvantbit fördubblar antalet möjliga tillstånd. För n kvantbitar blir det 2ⁿ tillstånd, och ett kvantsystem med enbart 300 partiklar kan samtidigt hantera 2³⁰⁰ värden. Detta är fler än det finns partiklar i hela universum. Inte så märkligt att kvantdatorn skulle kunna bli så mycket snabbare än våra klassiska datorer. Den praktiska utmaningen är att förena två motstridiga krav som en kvantdator ska uppfylla. Kvantbitarna måste hållas tillräckligt isolerade från omgivningen för att inte kollapsa. Men de måste också kunna kommunicera med varandra och lämna ifrån sig resultatet. Det finns dock inga principiella hinder för att det som redan fungerar med några enstaka partikelfällor inte ska kunna göras med många fler. Måhända kommer kvantdatorn att förändra vår tillvaro under detta sekel, på samma radikala sätt som den klassiska digitala datorn gjorde under det förra seklet.