Tre fysikere får endelig Nobelprisen: De banede vejen for kvantecomputeren

Nobelprisen i fysik går til Alain Aspect, John F. Clauser og Anton Zeilinger Illustration: Nobelprize.org

Kvantefysik har i årtier været en mystisk og uhåndgribelig videnskab, som de færreste forstod, og ingen kunne udnytte.

Men takket være især tre mænd, så er kvantefysik nu begyndt at blive håndgribeligt i form af kvantecomputere, der blandt andet skal bygges i et nyt dansk forskningscenter.

De tre fysikere fik i dag nobelprisen i fysik for deres eksperimenter, der banede vejen herfor. Deres navne er Alain Aspect, John F. Clauser og Anton Zeilinger.

De får nobelprisen 'for eksperimenter med sammenfiltrede fotoner, som har påvist brud på Bell-uligheder og banet vej for videnskab inden for kvanteinformation', skriver Nobelpris-komiteen i deres udtalelse.

Ingeniørens Jens Ramskov har flere gange forudsagt, at netop Alain Aspect ville få nobelprisen, fordi han i 1980'erne gennemførte en række forsøg, der bekræftede, at Bohrs opfattelse i 1930’erne af kvantemekanikken var rigtig i forhold til Einsteins. Og denne gang fik Aspect endelig sin Nobelpris.

Brød fysikkens regler

Men lad os lige gennemgå, hvad de tre fysikere hver især er kendt for.

Amerikaneren John F. Clauser var manden, der i 1974 viste, at kvantefysik er noget helt særligt, der overskrider reglerne for gængs fysik. Helt konkret viste han gennem eksperimenter, at kvantesammenfiltrede fotoner overskred Bells ulighed, som var en regel om, hvordan partikler var påvirket af hinanden i henhold til klassisk fysik.

John Bell beskrev i princippet, hvordan eksperimentet skulle udføres i 1964. Men ingen kunne udføre det på dette tidspunkt.

Men John F. Clauser viste ikke alene, at kvantesammenfiltrede fotoner overskred ulighedsprincippet. Han viste også, at der ikke var nogle skjulte variabler på spil, som fysikere såsom Einstein spekulerede i.

John F. Clauser slog altså fast, at der var tale om helt nye kræfter på spil. For at give et eksempel på den bizarre kvanteverden, så gælder flg. tankeeksperiment:

Forestil dig, at du tager to sammenfiltrede partikler. Den ene stikker du i lommen, og den anden flyver du til Månen. Når du drejer den ene partikel mellem fingrene, så drejer den på Månen præcis samtidig.

Inden for kvantemekanik er det afgørende at forstå, at partiklerne har potentiale til at befinde sig i et uendeligt antal af tilstande, men i praksis taler fysikere om et såkaldt spin-up eller spin-down. Det er først, når man kigger ned på partiklen i lommen (eller rettere måler i laboratoriet), at fotonen ender op i (eller vælger) sin tilstand.

Aspects snedige eksperiment

Et afgørende spørgsmål var i årevis, om fotonerne på forhånd var blevet kodet med en bestemt tilstand. Forestil dig f.eks. kvantesammenfiltrede fotoner som en højre- og venstresko, og hvis du finder en højre, så må den anden være en venstre og omvendt. Men de kan ikke pludselig skifte side. De er skabt på forhånd til en tilstand.

Spørgsmålet var i mange år, om de vitterligt kunne påvirkes til at være i andre tilstande, eller deres tilstand var forudbestemt. Her lykkedes det Alain Aspect at lave et banebrydende eksperiment, hvor han afsendte to kvantefiltrerede fotoner og først efterfølgende påvirkede dem til et spin-up eller spin-down.

Det lykkedes, og således kunne de altså ikke være kodet til en bestemt tilstand på forhånd.

Viste kvanteteleportation var en mulighed

Med den viden i bagagen kunne arbejdet med kvanteteknologi langsomt begynde, og her var Anton Zeilinger pioner i forhold til at arbejde med kvantetilstande.

Anton Zeilinger viste, at fænomenet kvanteteleportation var en mulighed. Kort fortalt viste han, at man kan flytte to sammenfiltrede partikler væk fra hinanden, og observerer man den ene, så kender man samtidig den andens præcise tilstand, selv om den før i princippet var ukendt.

Så tager man eksemplet med partiklen i lommen og partiklen på Månen, så kunne man tro, der var tale om en kommunikationsform, der ville overskride lysets hastighed. Det er dog ikke tilfældet, for man kan ikke på den måde sende information fra et sted til andet. De tre fysikere åbnede med deres eksperimenter for ballet, hvor man kan manipulere med kvantetilstande, som er grundlaget for kvanteinformation og kvantecomputere.

Vil du læse mere om kvantefiltrering, så har Ingeniøren bragt en forklaring som led i vores serie kvanteskolen, som nedenstående video også er fra:

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Forestil dig, at du tager to sammenfiltrede partikler. Den ene stikker du i lommen, og den anden flyver du til Månen. Når du drejer den ene partikel mellem fingrene, så drejer den på Månen præcis samtidig.

Syntes det er en lidt dårlig formulering. Vi kan ikke dreje en partikel mellem fingrene, og få den til at dreje på månen præcis samtidigt. Så vil det jo være muligt at overføre information uden forsinkelse, og det kan man ikke. Det er netop ikke muligt, at kode partiklerne til en bestemt information, og få den anden til at reagere derpå.

En bedre forklaring kunne måske være, at slår vi en mønt, der har to sider, og får vi krone, så vil den anden være plat. Og omvendt. Men, vi kan ikke på forhånd bestemme om det skal være plat eller krone. Det er tilfældigt.

Vi kan så overveje om de to mønter har besluttet, om udfaldet skal være plat og krone på forhånd. Aspekts forsøg viser, at de har intet besluttet på forhånd. Beslutningen sker først, når udfaldet er sket.

Vi kan så naturligvis spekulere over, om de to mønter kommunikerer med hinanden, og hvordan det sker. Tilsyneladende ved de hvad hinanden gør med uendelig hastighed, og de kender ikke resultatet før udfaldet sker. Der sker ikke nogen kommunikation imellem dem, som går igennem rummet, og de to partikler skal tilsyneladende ses som en stor partikel hvor påvirkningen af den ene medfører øjeblikkelig påvirkning begge partikler. Vi kan ikke bruge det til at overføre information da udfaldet er tilfældigt, så det strider ikke imod relativitetsteorien.

  • 2
  • 11

Vi kan så overveje om de to mønter (sider mener du vist) har besluttet, om udfaldet skal være plat og krone på forhånd. Aspekts forsøg viser, at de har intet besluttet på forhånd. Beslutningen sker først, når udfaldet er sket.

En lille krølle jeg så ikke forstår er, at man åbenbart bliver nød til at måle på udfaldet samtidig. Analogien med mønten ville så gøre, at hvis der gik lidt tid før du så på den anden side af mønten, så kunne du ikke være sikker på at den viste det modsatte af den første side du så.

Er det rimelig korrekt?

  • 1
  • 7

Det er godt at disse tre har afmystificeret kvantefysik ved hjælp af eksperimentet fordi fysik er fornuftig og selv om matematikken i fornuften er vel langhåret så skal vi som menneskehed på ingen måde bare give op!

Selvfølgelig er det en sejlivet myte at intet menneske forstår kvantefysikken eller for den sags skyld klassisk fysik eller kemi med thermodynamikken eller biologi!

https://shorts.quantumlah.org/quantum-quotes

National University of Singapore er ikke hvem som helst

Vel er der ikke nogen enkeltperson som forstår det hele eller som ved alt på fornuftens matematiske præmisser og ikke mindst biologi har en kompliceret tidsdimension i og med at naturhistorien er sindssyg langvarig og dyb men alligevel synes jeg ikke om at pådutte eleven sin egen eventuelle uvidenhed med postmoderne dogmatik om at vi ikke kan eller ikke har lov til at blive klogere og eventuelt også forstå for eksempel denne kvantefysik

Jeg er selv mat-fys-kem fra NBI og jeg forstår godt fysik selv om der stadig findes uløste problemer såsom f.eks. foreningen af gravitation og elementarpartikelfysik men urelativistisk kvantefysik har ikke mindst disse tre som nu velfortjent modtager det svenske akademis pris gjort deres til at menneskeheden kan og har lov til at forstå

Ydmyghed er en menneskelig konsekvens af forståelsen og derfor vokser kvantetræerne heller ikke ind i himlen

Ifølge den gamle kvanteteori er energi-niveau-separationen DE og det ergodiske tids-spænd Dt kvantiseret ved hjælp af Bohr's frekvens-betingelse, idet f = 1/Dt:

DE Dt = h

Ifølge energi-tids-ubestemtheds-relationen er ubestemthederne for energien dE henholdsvis for tiden dt i iagttagelsesprocessens uelastiske udveksling af energi over tid imellem systemet og apparaturet, jævnfør Newton's tredje lov, idet dE = F dx:

dE dt > h

Man omregner her fra gaussiske til box usikkerheder på følgende måde

dE dt = F dx dt = dp dx (box) = 12 dp dx (gaussisk) > 12 h/(4 pi) = cirka h

Så er systemet klassisk, kun hvis dt < Dt, og dE > DE, og kvantisk, kun hvis dE < DE, og dt > Dt, men ellers statistisk, hvis dt > Dt, og dE > DE.

Idet DE aftager eksponentielt med antallet af aktive frihedsgrader, og Dt tilsvarende tiltager eksponentielt.

Så vil ubestemtheden i tid for god kvantekohærens, dt > Dt = 2^N 1/f, hvor N er antal qubits, N højst 100 qubits

  • 2
  • 3

En lille krølle jeg så ikke forstår er, at man åbenbart bliver nød til at måle på udfaldet samtidig. Analogien med mønten ville så gøre, at hvis der gik lidt tid før du så på den anden side af mønten, så kunne du ikke være sikker på at den viste det modsatte af den første side du så.

Er det rimelig korrekt?

Det er svært at lave analogier der er 100% korrekte.

Du kan godt sige der kun er en mønt, men målingen sker to forskellige steder i rummet - forsiden et sted i rummet, bagsiden et andet i rummet. Du kan også betragte det som to mønter, der er forbundet, så hvis den ene er krone, så er den anden plat. Det sidste er nok mest korrekt, da der er to fotoner forbundet.

Du behøver ikke at måle de to fotoner på samme tid. Måles den ene først, og beslutter om den skal være plat eller krone, så kan du måle den anden senere (den forsinkes på grund af lysets hastighed gennem luften), og den holder da sin tilstand, der er den omvendte.

  • 1
  • 7

Så vil ubestemtheden i tid for god kvantekohærens, dt > Dt = 2^N 1/f, hvor N er antal qubits, N højst 100 qubits

Skal det forstås sådan, at du mener vi aldrig kommer over kvantecomputere med 100 qubits? Jeg har ikke hørt om dette før. Nogle mener, at det er muligt at lave skalerbare kvantecomputere, hvor du nærmest bare hiver qubits på, som når du sætter ekstra ram på en PC.

Jeg kunne godt forestille mig, at det viser sig der er en grænse for qubits, men jeg forventede ikke, at den nuværende kvantemekanik direkte kunne sige præcist, hvor grænsen er. 2^100 er et stort tal, men det er ikke et særligt stort tal, da det stadigt er et begrænset stort tal, og dermed giver det ikke stor betydning for programmers kompleksitet. Vi vil måske kunne løse et par ligninger vi ikke kan i dag, men f.eks. indenfor kryptering vil AES-256 stadigt være udenfor rækkevide. Skal kryptering være kvantesikker, vil jeg nok vælge forskellige kvantesikre krypteringer, der beror på forskellige metoder, og sætte efter hinanden, og så sammen med en god AES algoritme, og gerne nogle "frihedsgrader" der ikke er muligt at forudsige. Skulle en af metoderne så blive løst, så er der stadigt flere der skal løses. Sættes flere metoder sammen, med en AES-512 eller bedre imellem, bliver kompleksiteten samtidigt større. Kvantesikre algoritmer, er en langt billigere og måske endda mere sikker end kvantekryptering. Selvom kvantekryptering teoretisk ikke kan brydes, er praksis noget andet. En god algoritme, kan derimod sandsynligvis aldrig brydes.

  • 0
  • 6

Svar til Jens D. Madsen:

Ja!

Vi har nået 50 qubits og kommer aldrig over 100 qubits.

Med to-niveau-systemets basis-frekvens som optisk lys

f = 10^15 sek^–1

bliver med 1 qubit Dt = 10^–15 sek

og med 50 qubits Dt = 1 sek

og med 100 qubits Dt = 10^15 sek

Det med at DE aftager eksponentielt og Dt tiltager på samme måde med antallet af aktive frihedsgrader qubits er velkendt (Landau & Lifshitz Statistical Physics Part 1) men man kan bare tænke på klassisk periodefordobling

  • 2
  • 0

Du behøver ikke at måle de to fotoner på samme tid. Måles den ene først, og beslutter om den skal være plat eller krone, så kan du måle den anden senere (den forsinkes på grund af lysets hastighed gennem luften), og den holder da sin tilstand, der er den omvendte.

Det er egentlig også sådan jeg forestiller mig det skulle være.

På den anden side så har jeg ikke set eksperimenter der skulle bevise entanglement som ikke brugte samme afstand og dermed coincidensdetektorer. Min fejl måske?

  • 1
  • 5

På den anden side så har jeg ikke set eksperimenter der skulle bevise entanglement som ikke brugte samme afstand og dermed coincidensdetektorer. Min fejl måske?

Du bliver nød til at kunne sammenholde fotonerne parvist. Jeg mener ikke, at det er et problem at den ene foton detekteres forsinket i forhold til den anden, men du skal naturligvis kompensere ved sammenligningen, så de parvist passer sammen, f.eks. ved at tidsstemple detekteringen til brug for sammenligningen. Er der få fotoner, så der er lang afstand imellem dem, vil det ikke være et problem at sammeholde dem.

  • 1
  • 2

Svar til Jens D Madsen

Håber at mine ovenstående to links virker som de skal

Fordi når IBM tæller qubits så mener de samlet antal på processoren men jeg mener bona fide qubits log_2(QV)

Derfor er det i min optik en and at man sidste gang jeg hørte om det havde nået godt halvtreds qubits men jeg godtog anden og troede på det da det ikke er umuligt i hvert fald teoretisk hvis Dt = 1/f x 2^N = 10^–15 sek x 2^50 = 1 sek

På en måde er mine beregninger jo alt for optimistiske men fremtiden er selvfølgelig IBM's hybridcomputer som egentlig kun har fem eller snart ti bona fide qubits i selve kvantevolumen QV = 32 eller snart QV = 1024 og kombineret muligvis nærmest som i klassisk computer så man salgsmæssigt kan prale af rigtig mange qubits

En bona fide kvantecomputer er både-og hverken-eller digital computer henholdsvis analog computer med tids ubestemtheden som Dt = 2^N 1/f hvor N = antal qubits og med energi-niveau-separationen DE = hf / QV det vil sige den vil præstere højst som digital eller som analog

Alligevel er det da værd at eksperimentere med men jeg synes bare at sponsorerne spilder deres kære penge hvis de forventer at kunne undgå energi-tids-ubestemtheds-relationen og jeg synes at fem eller ti qubits er vel sølle

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten