Kvantemekanik. Atomernes vilde verden. Klaus Mølmer. unı vers

Transkript

1 Kvantemekanik Atomernes vilde verden Klaus Mølmer unı vers

2

3 Kvantemekanik Atomernes vilde verden

4

5 Kvantemekanik Atomernes vilde verden Af Klaus Mølmer unı vers

6 Kvantemekanik Atomernes vilde verden Univers 11 Forfatteren og Aarhus Universitetsforlag 2010 Tilrettelægning: Jørgen Sparre Omslag: Jørgen Sparre Tegninger: Troels Marstrand Forsideillustration: Troels Marstrand Bogen er sat med Adobe Garamond og Stone Sans Ebogsproduktion; Narayana Press 1. udgave, 2. oplag 2011 ISSN ISBN Aarhus Universitetsforlag Århus Langelandsgade Århus N København Tuborgvej København NV Fax

7 INDHOLD 1. Splittede skæbner og kvantecomputere 7 2. Den klassiske fysik Kvanteteorien opstår Kvantemekanikken Kvantemekanikkens fortolkning Den kvantemekaniske verden Kvantefeltteori Kvanteteknologier 143 Afrunding 169 Yderligere læsning 171 Ord, begreber og personer 173 Copyright 181

8

9 kapitel 1 SPLITTEDE SKÆBNER OG KVANTECOMPUTERE Den eneste fejl ved at vandre en tur Er, at vejene altid forgrenes, Og alle de skæbner, som ligger på lur, Umuligt vil kunne forenes. Så går man en tur, bør man splittes i to, Så ofte Ens vejbane kløftes og senere mødes et sted, hvor i ro, Ens splittede skæbner kan drøftes. PIET HEIN I kvantemekanikkens mikroskopiske verden er Piet Heins vision i det citerede Gruk ikke bare en underfundig tanke. Kvanteteoriens mest markante brud med den klassiske fysik er, at den tillægger partikler muligheden for at være flere steder på samme tid. Man ser således i fysik- og kemieksperimenter, at elektroner og atomer har følerne ude på en måde, som ikke kan forklares, hvis de er begrænsede til at bevæge sig ad enkelte veje som i den klassiske fysik. Piet Heins drøftelser finder ikke sted i atomernes verden, men vi kan i eksperimenter og mere indirekte i stoffers makroskopiske opførsel se konsekvenserne af de atomare partiklers splittede skæbner. Selvom mikroskopiske partikler opfører sig meget specielt, skal man ikke forvente, at vi kan lure dem kunsten af og selv begynde at være flere steder på samme tid, men forskning i de seneste år har forsøgt at udnytte den mikroskopiske verdens splittede skæbner i revolutionerende nye design for computere, hvor man koder tal i mikroskopiske partiklers bevægelse. Når en og samme partikel kan være flere steder på samme tid, får det computeren til at regne på flere tal på samme tid, og det sker vel at mærke under udnyttelse af indhold

10 8 univers kvantemekanik resurser, som normalt kun ville have kunnet håndtere et enkelt tal ad gangen. Perspektiverne for en sådan kvantecomputer er så lovende, at der arbejdes intenst og investeres store beløb i udviklingen af teknikker, der skal gøre det muligt for os at indlæse tal i enkelte atomer og manipulere atomerne, så de fysiske data omdannes fra input til output fra en opgaves formulering til dens besvarelse. Det var et stort skridt på vejen i denne forskning, da regnestykket 15 = 3 5 blev løst ved Massachusetts Institute of Tech nology (MIT) i USA i Det var naturligvis ikke regnestykkets resultat, der var epokegørende, men måden, hvorved det var opnået: Når man får udleveret et tal som 15 og bliver bedt om at skrive det som et produkt af to tal, er det naturligt at prøve sig frem: Man undersøger for eksempel, om 2 går op i 15, og derefter om 3 går op i 15, og her viser opgaven sig allerede at være løst. Havde vi i stedet ledt efter to tal, der ganget sammen giver 1961, skulle man være meget heldig for allerede i første eller andet forsøg at finde ud af, at 37 går op i Forskningsgruppen ved MIT fandt, at 15 = 3 5, ved at kode forskellige samtidige talværdier i atomkernerne i en kemisk forbindelse og udnytte kvantefysikkens splittede skæbner til at tjekke alle kandidater på samme tid. For et tal med nogle hundrede cifre ville antallet af mulige faktorer være ufatteligt meget større, og alverdens supercomputere ville ikke kunne klare opgaven og finde den rette løsning, om de så fik en milliard år til opgaven. En kvantecomputer med samme regnehastighed som en enkelt moderne pc ville, hvis den fandtes, kunne bruge den samme teknik, MIT-gruppen benyttede sig af, og finde en løsning på få minutter. Der er en helt speciel grund til, at det at finde tal, der går op i store tal, har kunnet stimulere interessen for og trække massive investeringer til forskningen i kvantecomputing, og den har at gøre med national sikkerhed, økonomisk kriminalitet og lyssky emner, som kan fylde en hel stribe spændingsromaner. Herodot fortæller om Histiaeus, der i det 6. århundrede før vor tidsregning skulle sende sin søn en fortrolig besked og tatoverede den i hovedbunden på en kronraget slave. Efter at håret var groet ud og skjulte beskeden for selv en omhyggelig kropsvisitation, sendte han slaven af sted. I vores moderne tidsalder med telefon og internet er det ikke en hensigtsmæssig måde at sende hemmelige beskeder på, og der er da også udviklet matematiske metoder, så selv folk, indhold