For mange hører det til kvantefysikkens mærkværdigheder, at kvantepartikler kan være flere steder på en gang, og elektroners spin, som vi hørte om i kvanteskolens del 1, både kan være op og ned på samme tid - det svarer næsten til, at en bold kan rotere både den ene og den anden vej om sig selv på samme tid.
Den ultraviolette katastrofe viste, at den klassiske fysik havde sine begrænsninger. Dobbeltspalteeksperimentet og Stern-Gerlach eksperimentet viste, at verden på mikroskala opfører sig helt anderledes, end vi intuitiv forestiller os. Det er virkningskvantet eller Plancks konstant h, der bestemmer, hvor grænsen går mellem stor og lille. Hvis h var nul, var der ingen forskel. Elementarpartikler har masse og ladning, men de har også spin - som ikke har en klassisk forbindelse. Det kan man udnytte, og det vil vi se mere på i de næste lektioner i kvanteskolen.Resumé af kvanteskolens del1: Elektroner har spin
Fænomenet betegnes superposition og er helt afgørende for en generel forståelse af kvantemekanik og virkemåden af kvantecomputere. Men superposition er dog ikke et kvantemekanisk begreb, det er et alment kendt princip inden for naturvidenskab og ingeniørvidenskab.
To lydbølger med samme frekvens vil, når de mødes, lægge sig sammen - eller superponerer - til en enkelt bølge med samme frekvens, hvis amplitude eller styrke,bestemmes af de to oprindelige bølgers fase.
Hvis fasen er forskudt 180 grader, vil bølgerne udslukke hinanden. Det er eksempelvis princippet i høretelefoner med støjreduktion.
Dobbeltspalteeksperimentet, som vi hørte om i kvanteskolens del 1, er et andet eksempel på superposition af to bølger, der går gennem henholdsvis den ene og den anden spalte.
Det interessante er, at det også sker, når der kun er en foton til stede ved dobbeltspalten ad gangen. Fotonen må derfor være en superposition af to bølger, der går gennem henholdsvis den ene og den anden spalte. Det er den eneste mulige tolkning.
Superposition giver os bølgefunktionen
Lad os tage et andet eksempel, som jeg har hentet fra en af mest berømte bøger om kvantemekanik, The Principles of Quantum Mechanics af Paul Dirac og første gang udgivet i 1930.
Meget karakteristisk hedder første kapitel i denne bog, The principle of superposition, for princippet er som nævnt fundamentet, hele kvantemekanikken bygger på.
Dirac betragter lys som sendes gennem en krystal af turmalin, det kunne i princippet lige så vel have været gennem glasset i en polarisationsbrille.
I Ingeniørens serie af megatendenser sætter vi i den kommende tid fokus på kvanteteknologi. It-firmaer og forskere bruger i disse år en ny forståelse af kvantefysik til at skabe nye sensorer, ure og computere. Hovedfokus er en universel kvantecomputer, der kan foretage hidtil usete beregninger, men i laboratorierne kæmper forskerne med at fastholde kvantetilstande og skrive ny software. Ubrydelig kryptering er i sigte, men sikkerhedstjenesterne frygter også angreb fra de nye computere. Følg med på ing.dk/fokus/kvanteteknologi. 1 Revolution 2.0 Fuld fart frem mod kvantecomputeren 2 Laboratoriet Ingeniørens kvanteskole del 2 (denne artikel)Kvanteteknologi
Nu skubber forskerne til fysikkens love
Sådan arbejder kvanteforskerne
Som det er kendt fra den klassiske optik, er lys polariseret. Det betyder, at det elektriske felt svinger i en bestemt retning, det kan f.eks. være vandret eller lodret, eller en anden vilkårlig retning.
Når lys rammer turmalin, vil det slippe gennem krystallen, hvis det er polariseret vinkelret på den optiske akse. Er lyset polariseret parallelt med den optiske akse, bliver det stoppet og absorberet i krystallen.
Hvis lyset er polariseret med en vinkel v i forhold til aksen, vil en andel på sin²v slippe gennem. Det viser eksperimenter, og det forklarer klassisk optik kendt siden 1700-tallet. Helt uden problemer.
Men hvad sker der, hvis vi kun sender en foton ad gangen gennem krystallen? Det er let at indse, at hvis den er polariseret vinkelret, kommer den ud på den anden side, og hvis den er polariseret parallelt, bliver den stoppet.
Problemet er, hvad der sker, hvis den polariseret i den anden retning. Fotoner kan ikke deles, så enten slipper den helt igennem, eller også bliver den helt stoppet. Men hvad gør den? Svaret er, det ved vi ikke med sikkerhed.
Er den sluppet gennem krystallen, ved vi dog, at den nu må være polariseret vinkelret på den optiske akse, og er den stoppet, må den være polariseret parallelt med den optiske akse.
Den eneste logiske og sammenhæng beskrivelse af fænomenet er, at fotonen, når den rammer krystallen, er i en superposition af to bølger.
I sin bog tager Dirac dette som udgangspunkt for at formulere kvantemekanikken og definere bølgefunktionen for en partikel.
For de matematisk interesserede er forandringer ved bølgefunktionen beskrevet ved en lineær differentialligning, præcis som også lydbølger er, og for sådanne systemer gælder superpositionsprincippet.
Det er altså ikke kvantemekanikken, der forklarer, at superposition findes, og partikler kan være to steder eller i to tilstande på samme tid. Det er observationer, der viser, at dette er tilfældet, og det bestemmer, hvordan kvantemekanikken skal formuleres.
Måleproblemet
Man kan sige, at turmalinkrystallen repræsenterer en form for måling af fotonens polarisation.
Målingen fastlægger, om fotoner er vandret eller lodret polariseret, hvor den før målingen var i en superposition af vandret og lodret polariseret.
Den mest almindelige beskrivelse er, at bølgefunktionen kollapser ved en måling. Det er udgangspunktet i den såkaldte københavnerfortolkning af kvantemekanikken, der blev grundlagt på Niels Bohrs Institut i 1920'erne og 1930'erne. En dybere forståelse af dette er dog stadig noget, som optager kvantefysikerne - og der findes alternative fortolkninger.
Men så længe vi ikke foretager en måling - eller på anden måde forstyrrer en partikel - er den i en superposition, og man kan lade partikler i superposition vekselvirke med hinanden og først derefter foretage en måling. Det er det princip, der udnyttes i kvantecomputere.
Eksperimenter viser, at elektroner og fotoner og andre partikler kan være i en superposition af flere bølgefunktioner, som kan lægges sammen til en total bølgefunktion. Superposition er udgangspunktet for et formulere kvantemekanikken. Når vi foretager en måling, finder vi dog altid elektroner, fotoner osv. i én bestemt tilstand. Man siger, at bølgefunktionen kollapser. Superposition er nært forbundet med et andet vigtigt begreb inden for kvantemekanik, entanglement. Det ser vi nærmere på i tredje del af kvanteskolen.Resumé
Da alle partikler adlyder kvantemekanikkens regler, er det ikke kun fotoner og elektroner, der kan være i en superposition af to tilstande eller være to steder på samme tid. Eksperimenter viser, at det også gælder for atomer og små molekyler.
Kan katte også være i en superposition?
Ingen har dog nogensinde set store systemer være i en superposition. Er der en grænse, kan katte også være i superposition af to tilstande, død og levende, som Erwin Schrödinger viste, er konsekvensen i et forsøg på at påpege et problem ved kvantemekanikken?
Det spørgsmål kender man heller ikke svaret på, men eksperimentalfysikere skubber hele tiden til grænsen for, hvad der kan måles - i kvantefysikernes egen terminolog laver de større og større 'katte'. Så en dag får vi måske svaret.
Det vigtigste at holde fast i er, at det er eksperimenter og observationer, der afgør, hvordan kvantemekanikken skal fomuleres. Ikke omvendt.
