Kvantemekanik er underlig. Teorien, der beskriver arbejdet med små partikler og kræfter, gjorde Albert Einstein berygtet så urolig, at han og hans kolleger i 1935 hævdede, at det må være ufuldstændigt - det var for "uhyggeligt" til at være reelt.
Relateret indhold
- Forskere fanger Schrödingers kat på kamera
- Syv enkle måder, vi ved Einstein var rigtigt (for nu)
- Mærkelig fysik kan synliggøre en usynlig kat
- Lockheed Martin har vanvittigt hurtige kvantecomputere og planer om faktisk at bruge dem
Problemet er, at kvantefysik ser ud til at trosse fællesforståelsens forestillinger om kausalitet, lokalitet og realisme. For eksempel ved du, at månen eksisterer, selv når du ikke ser på den - det er realisme. Årsags skyld fortæller os, at hvis du drejer på en lysafbryder, lyser pæren. Og takket være en hård grænse på lysets hastighed, hvis du klikker på en afbryder nu, kunne den relaterede effekt ikke forekomme med det samme en million lysår væk i henhold til lokalitet. Imidlertid bryder disse principper ned i kvanteområdet. Det mest berømte eksempel er kvanteforvikling, der siger, at partikler på modsatte sider af universet kan forbindes i sig selv, så de med det samme deler information - en idé, der gjorde Einstein til at spotte.
Men i 1964 beviste fysiker John Stewart Bell, at kvantefysik faktisk var en komplet og anvendelig teori. Hans resultater, nu kaldet Bells teorem, beviste effektivt, at kvanteegenskaber som forvikling er lige så virkelige som månen, og i dag udnyttes kvantesystemers bizarre opførsel til anvendelse i en række virkelige applikationer. Her er fem af de mest spændende:
Et strontiumur, der blev afsløret af NIST og JILA i januar, vil holde nøjagtig tid i de næste 5 milliarder år. (Ye-gruppen og Brad Baxley, JILA) Ultra-præcise ure
Pålidelig timekeeping handler om mere end bare din morgenalarm. Ure synkroniserer vores teknologiske verden og holder ting som aktiemarkeder og GPS-systemer på linje. Standardure bruger de regelmæssige svingninger af fysiske genstande som pendler eller kvartskrystaller for at fremstille deres 'flåter' og 'tocks'. I dag er de mest præcise ure i verden, atomur, i stand til at bruge kvanteteoriens principper til at måle tid. De overvåger den specifikke strålingsfrekvens, der er nødvendig for at få elektroner til at hoppe mellem energiniveauet. Kvantelogikuret ved det amerikanske nationale institut for standarder og teknologi (NIST) i Colorado mister eller vinder kun et sekund hvert 3, 7 milliarder år. Og NIST-strontiumuret, der blev afsløret tidligere i år, vil være det nøjagtige i 5 milliarder år — længere end jordens nuværende alder. Sådanne superfølsomme atomure hjælper med GPS-navigation, telekommunikation og landmåling.
Præcisionen af atomur afhænger delvist af antallet af anvendte atomer. Holdt i et vakuumkammer, hvert mål måler uafhængigt tid og holder øje med de tilfældige lokale forskelle mellem sig selv og sine naboer. Hvis forskere stapper 100 gange flere atomer i et atomur, bliver det 10 gange mere præcist - men der er en grænse for, hvor mange atomer du kan klemme ind. Forskernes næste store mål er at bruge sammenfiltring for at forbedre præcisionen. Indviklede atomer ville ikke være optaget af lokale forskelle og ville i stedet udelukkende måle tidsforløbet og effektivt bringe dem sammen som en enkelt pendul. Det betyder, at tilføjelse af 100 gange flere atomer i et sammenfiltret ur ville gøre det 100 gange mere præcist. Omviklede ure kan endda knyttes til et verdensomspændende netværk, der måler tid uafhængigt af placering.
Observatører vil have svært ved at hacke ind i kvantekorrespondance. (VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis) Uknækkelige koder
Traditionel kryptografi fungerer ved hjælp af nøgler: En afsender bruger en nøgle til at kode information, og en modtager bruger en anden til at afkode meddelelsen. Imidlertid er det vanskeligt at fjerne risikoen for en aflytning, og nøgler kan kompromitteres. Dette kan rettes ved hjælp af potentielt uknuselig quantum key distribution (QKD). I QKD sendes information om nøglen via fotoner, der er blevet tilfældigt polariseret. Dette begrænser fotonen, så den kun vibrerer i et plan - for eksempel op og ned eller fra venstre til højre. Modtageren kan bruge polariserede filtre til at dechifrere nøglen og derefter bruge en valgt algoritme til sikkert at kryptere en meddelelse. De hemmelige data sendes stadig over normale kommunikationskanaler, men ingen kan afkode meddelelsen, medmindre de har den nøjagtige kvantetast. Det er vanskeligt, fordi kvanteregler dikterer, at "læsning" af de polariserede fotoner altid vil ændre deres tilstande, og ethvert forsøg på aflytning vil advare kommunikatorerne om et sikkerhedsbrud.
I dag bruger virksomheder som BBN Technologies, Toshiba og ID Quantique QKD til at designe ultra-sikre netværk. I 2007 prøvede Schweiz et ID Quantique-produkt til at skabe et manipuleringssikkert afstemningssystem under et valg. Og den første bankoverførsel ved hjælp af sammenfiltrede QKD gik videre i Østrig i 2004. Dette system lover at være meget sikkert, for hvis fotonerne er sammenfiltrede, vil eventuelle ændringer i deres kvantetilstand foretaget af interlopere øjeblikkeligt være synlige for enhver, der overvåger nøglelageret partikler. Men dette system fungerer endnu ikke over store afstande. Indtil videre er sammenfiltrede fotoner transmitteret over en maksimal afstand på ca. 88 miles.
Nærbillede af en D-Wave One computerchip. (D-Wave Systems, Inc.) Super-magtfulde computere
En standardcomputer koder information som en streng med binære cifre eller bit. Kvantecomputers supercharge-processorkraft, fordi de bruger kvantebits eller qubits, der findes i en superposition af tilstande - indtil de måles, kan qubits være både "1" og "0" på samme tid.
Dette felt er stadig under udvikling, men der har været skridt i den rigtige retning. I 2011 afslørede D-Wave Systems D-Wave One, en 128-qubit processor, efterfulgt et år senere af 512-qubit D-Wave Two. Virksomheden siger, at dette er verdens første kommercielt tilgængelige kvantecomputere. Imidlertid er denne påstand blevet mødt med skepsis, delvis fordi det stadig er uklart, om D-Waves qubits er sammenfiltret. Undersøgelser, der blev frigivet i maj, fandt bevis for sammenfiltring, men kun i en lille undergruppe af computerens qubits. Der er også usikkerhed om, hvorvidt chipsene viser nogen pålidelig kvantehastighed. Stadig har NASA og Google slået sig sammen om at danne Quantum Artificial Intelligence Lab baseret på en D-Wave Two. Og forskere ved University of Bristol sidste år tilsluttede en af deres traditionelle kvantechips til Internettet, så enhver med en webbrowser kan lære kvantekodning.
Hold et skarpt øje med sammenfiltring. (Ono et al., Arxiv.org) Forbedrede mikroskoper
I februar udviklede et team af forskere ved Japans Hokkaido University verdens første sammenfiltringsforbedrede mikroskop ved hjælp af en teknik, der er kendt som differentiel interferenskontrastmikroskopi. Denne type mikroskop fyrer to bjælker af fotoner på et stof og måler interferensmønsteret oprettet af de reflekterede bjælker - mønsteret ændres afhængigt af om de rammer en flad eller ujævn overflade. Brug af sammenfiltrede fotoner øger mængden af information mikroskopet kan samle kraftigt, da måling af et sammenfiltret foton giver information om sin partner.
Hokkaido-teamet formåede at forestille sig et indgraveret "Q", der stod kun 17 nanometer over baggrunden med en hidtil uset skarphed. Lignende teknikker kunne bruges til at forbedre opløsningen af astronomiverktøjer kaldet interferometre, som overlejrer forskellige lysbølger for bedre at analysere deres egenskaber. Interferometre bruges i jakten på ekstrasolære planeter, til at undersøge stjerner i nærheden og til at søge efter krusninger i rummet kaldet gravitationsbølger.
Den europæiske robin kan være en kvante-naturlig. (Andrew Parkinson / Corbis) Biologiske kompasser
Mennesker er ikke de eneste, der bruger kvantemekanik. En førende teori antyder, at fugle som den europæiske robin bruger den uhyggelige handling for at holde på sporet, når de vandrer. Metoden involverer et lysfølsomt protein kaldet cryptochrome, som kan indeholde sammenfiltrede elektroner. Når fotoner kommer ind i øjet, rammer de kryptokrome molekyler og kan levere nok energi til at bryde dem fra hinanden ved at danne to reaktive molekyler eller radikaler med uparrede, men stadig sammenfiltrede elektroner. Det magnetiske felt, der omgiver fuglen, påvirker, hvor længe disse cryptochrome radikaler varer. Celler i fuglens nethinde menes at være meget følsomme over for tilstedeværelsen af de sammenfiltrede radikaler, hvilket tillader dyrene effektivt at 'se' et magnetisk kort baseret på molekylerne.
Denne proces er dog ikke fuldt ud forstået, og der er en anden mulighed: Fugles magnetiske følsomhed kan skyldes små krystaller af magnetiske mineraler i deres næb. Alligevel, hvis sammenfiltring virkelig spiller, antyder eksperimenter, at den delikate tilstand skal vare meget længere i et fugleperspektiv end i selv de bedste kunstige systemer. Det magnetiske kompas kunne også være anvendeligt på visse firben, krebsdyr, insekter og endda nogle pattedyr. For eksempel er der også fundet en form for kryptokrom, der bruges til magnetisk navigation i fluer, i det menneskelige øje, skønt det er uklart, om det er eller en gang var nyttigt til et lignende formål.
