Tendenser i Fysik

Schrödingers Kat bringes til live

Nylige eksperimenter er begyndt at demonstrere, hvordan kvantemekanikkens skøre verden giver plads for dagligdagens velkendte oplevelser

Philip Yam

Indhold:

Indledning
Måleproblemet
Kom, mis - mis
Tab af kohærens. (Adskillelse).
Radikale bearbejdninger
Kvanteberegning
Jobs til kvantekatte
Yderligere læsning
Links

Indledning

Jeg er ked af, at jeg nogensinde havde noget med kvanteteori at gøre," udbrød Erwin Schrödinger angiveligt til en kollega. Den østrigske fysiker beklagede ikke hans nu berømte kats skæbne, den kat han billedlig talt placerede i en kasse med en flaske gift i 1935. I stedet kommenterede han de mærkelige implikationer af kvantemekanikken, videnskaben bag elektroner, atomer, fotoner og andre submikroskopiske ting. Schrödinger forsøgte med sin kat at illustrere problemet: ifølge kvantemekanikken springer partikler fra punkt til punkt, besætter adskillige positioner samtidig og forekommer at kommunikere hurtigere end lysets hastighed. Så hvorfor gør katte - eller bolde, planeter og folk for den sags skyld - ikke det samme? De er trods alt lavet af atomer. I stedet adlyder de Isaac Newtons forudsigelige klassiske love. Hvornår giver kvanteverdenen plads for dagligdagens fysik? "Det er et af $64,000 spørgsmålene", ler David Pritchard fra Massachusetts Institute of Technology.
    Pritchard og andre eksperimentatorer er begyndt at se på grænsen mellem kvanteområdet og det klassiske område. Ved at nedkøle partikler med laserstråler eller ved at føre dem gennem særlige hulrum, har fysikerne i det forløbne år skabt Schrödingers katte i lille målestok. Disse "katte" var individuelle elektroner og atomer, der blev ledt til at opholde sig to steder på en gang og elektromagnetiske felter, der blev exciteret til at vibrere på to forskellige måder samtidig. Ikke alene viser de, hvor nemt det mærkelige afløses af det velkendte, men de illustrerer på dramatisk vis en barriere for kvanteberegning - en teknologi, stadig mest spekulativ, som nogle forskere håber kunne løse opgaver, som nu er utroligt vanskelige.
    Mysteriet om kvante-klassisk overgangen stammer fra en altafgørende egenskab ved kvantepartikler - de kan bølge og bevæge sig som bølger (og omvendt: lys kan springe omkring som en partikel kaldet en foton). De kan som sådan beskrives af en bølgefunktion, som Schrödinger anviste i 1926. Som en slags kvante-personnummer indeholder bølgefunktionen alt, hvad der er at vide om en partikel, opsummerer området for alle dens mulige positioner og bevægelser.
    Taget for pålydende indikerer en bølgefunktion, at en partikel opholder sig i alle disse muligheder samtidig. En observation afslører imidlertid uvægerligt kun en af disse tilstande. Hvordan, eller selv hvorfor, et bestemt resultat fremkommer efter en måling, er pointen i Schrödingers tankeeksperiment: udover katten og giften kommer der et radioaktivt atom ind i kassen. Indenfor en time har atomet en halvtreds procents chance for at henfalde; henfaldet udløser en hammer, som knuser flasken med kattegift.

Måleproblemet

Ifølge kvantemekanikken forbliver det uobserverede atom i en løjerlig tilstand af at være henfaldet og ikke-henfaldet. Denne tilstand, der kaldes en superposition, går kvanteobjekter temmelig nemt ind i. Elektroner kan besætte adskillige energiniveauer, eller orbitaler, samtidig; en enkelt foton forekommer, efter at have passeret en stråledeler, at gennemrejse to ruter samtidig. Partikler i en veldefineret superposition siges at være kohærente.
    Men hvad sker der, når kvanteobjekter kobles til en makroskopisk genstand som en kat? Hvis man viderefører kvantelogikken, burde katten også forblive i en kohærent superposition af tilstande og være død og levende samtidigt. Det er klart, at dette er absurd: vore sanser fortæller os, at katte er enten døde eller levende, ikke begge dele eller ingen af dem. I nøgterne vendinger er katten faktisk et måleinstrument, som en geigertæller eller et voltmeter. Så er spørgsmålet: Burde måleapparater ikke gå ind i den samme udefinerede tilstand, som de kvantepartikler, de er konstrueret til at måle, gør?
    For den danske fysiker Niels Bohr, en af kvanteteoriens grundlæggere (og til hvem Schrödingers fortrydende kommentar var rettet), var svaret, at målinger skal udføres med et klassisk apparatur. I det, der er kommet til at hedde Standard-, eller Københavnertolkningen af kvantemekanik, postulerede Bohr, at makroskopiske detektorer aldrig opnår nogen uklar superposition, men han forklarede ikke nøjagtigt hvorfor. "Han ønskede at indføre 'klassisk' uden videre", siger Wojciech Zurek fra Los Alamos National Laboratory. "Målinger opstod simpelthen". Bohr erkendte også, at grænsen mellem det klassiske og kvantet kan ændre sig, afhængigt af hvordan eksperimentet arrangeres. Endvidere spiller størrelse ikke nødvendigvis nogen rolle: superpositioner kan opretholdes på skalaer, der er meget større end de atomare.
    I november 1995 krystalliserede Pritchard og hans M.I.T. kolleger målingens uklarhed. Holdet sendte en smal strøm af natriumatomer gennem et interferometer, en anordning, som giver en partikel to veje at gå. Ruterne gik sammen igen og hvert atom, der opførte sig som en bølge, "interfererede" med sig selv og dannede et mønster af lyse og mørke bånd på en observationsskærm (identisk med hvad der ses, når en laser lyser gennem to spalter). Kvantemekanikkens standardformulering siger, at atomet gik ad begge ruter samtidigt, således at atomets komplette bevægelse fra kilde til skærm var en superposition af et atom, der går gennem begge ruter.
    Så rettede holdet en laser mod en af ruterne. Denne proces ødelagde interferensbåndene, fordi en laserfoton, der spredes af et atom, ville vise, hvilken rute fotonen tog. (Kvanteregler forbyder "hvilken-vej" information og interferens at findes samtidig).
    Overfladisk set synes denne spredning at udgøre en måling, som ødelægger kohærensen. Alligevel viste holdet, at kohærensen kunne "genskabes" - dvs. interferensmønstret gendannes - ved at ændre adskillelsen mellem ruterne til et multiplum af cirka en fjerdedel af laserfotonens bølgelængde. Ved disse brøkdele var det ikke muligt at sige, hvilken rute fotonen spredtes fra. "Kohærensen mistes i virkeligheden ikke", forklarer Pritchard. "Atomet blev sammenviklet med et større system". Dvs. atomets kvantetilstand blev koblet med måleapparatet, hvilket i dette tilfælde var fotonen.
Pritchard's arbejde, som er en virkeliggørelse af et forslag, der blev fremsat af afdøde Richard Feynman for mange år siden, uddyber ligesom mange andre tidligere eksperimenter de mysterier, der underligger kvantefysikken, i stedet for at løse dem. Det demonstrerer, at måleapparaturet kan have en ubestemt definition. I tilfældet med Schrödingers Kat er målingen så det, at man løfter låget? Eller når lyset når øjet og behandles af sindet? Eller en afledning af statisk elektricitet fra kattens pels?
    En nylig byge af Schrödingers Kat eksperimenter er begyndt at berøre disse spørgsmål. Ikke alle fysikere er enige i, at de iagttager virkelige kvantekatte - "killing" er betegnelsen, der ofte bruges, afhængig af den ønskede grad af nuttethed. Under alle omstændigheder viser forsøgene, at kvante-klassisk overgangen - sommetider kaldet bølgefunktionens kollaps eller reduktion af tilstandsvektoren - endelig er begyndt at bevæge sig fra tankeeksperimenternes overdrev til studier i den virkelige verden.

Kom, mis - mis

I 1991 eksperimenterede Carlos Stroud og John Yeazell fra University of Rochester med det, der kaldes Rydberg atomer efter den svenske spektroskopist Johannes Rydberg, opdager af bindingsenergi relationen mellem en elektron og en kerne. Almindeligvis kredser elektroner om kernen i en afstand på mindre end en nanometer; i Rydberg atomer er den ydre elektrons bane svulmet op 1000 gange. Denne forstørrelse kan opnås ved korte pulser af laserlys, som effektivt anbringer elektronen i mange ydre orbitaler samtidigt. Fysisk manifesterer energiniveauernes superposition sig som en "bølgepakke", der omkredser kernen på en atomart stor afstand på omkring en halv micron. Pakken repræsenterer sandsynligheden for den anslåede elektrons placering.
    Mens de opsvulmede kalium atomer, bemærkede arbejderne fra Rochester, at bølgepakken spredtes efter nogle få kredsløb for at komme tilbage til live igen som to mindre pakker i modsatte ender af dens store bane. I september sidste år viste Stroud med sin kollega Michael W. Noel, at de to pakker udgjorde en Schrödingers Kat tilstand - en enkelt elektron på to steder.
    En elektron er dog, essentielt, bare et punkt. Nærmere det makroskopiske område er en ion (et ladet atom), som består af mange elementarpartikler. I maj 1996 skabte Chris Monroe, David J. Wineland og deres kolleger på National Institute of Standards and Technology (NIST) i Boulder, Colorado en Schrödingers Kat af en beryllium ion. De fangede først ionen med elektromagnetiske felter og ramte den så med en laserstråle, som dæmpede ionens termiske rystelser og derved nedkølede den til en temperatur indenfor en millikelvin fra absolut nul. Så affyrede forskerne to laserstråler med lidt forskellig frekvens mod ionen for at manipulere dens spin, en indbygget kvanteegenskab som peger enten op eller ned. Med laserne fik forskerne ionen til at indtage en superposition af spin-op og spin-ned tilstande.
    Så meget om forberedelserne; derefter kom den mere makroskopiske del. Ved at manipulere med indstillingen af de to lasere kunne NIST holdet svinge spin-op tilstanden til og fra i rummet og spin-ned tilstanden til og fra. Et billede ville vise ionen i spin-op tilstanden på én fysisk placering og samtidig i spin-ned tilstanden på en anden placering. Der var 80 nanometer mellem tilstandene - langt på den atomare skala. "Vi fik ionen til at besætte to positioner, som er meget langt adskilt sammenlignet med den oprindelige ions størrelse", siger Monroe.
    I december sidste år førte Michel Brune, Serge Haroche, Jean-Michel Raimond og deres kolleger på Ecole Normale Supérieure (ENS) i Paris tingene lidt videre. "Vi var i stand til at se udviskningen af kvanteegenskaberne", forklarer Haroche. For at se hvordan superpositionen kollapsede til den ene eller den anden tilstand, gjorde de det, der svarede til at dingle med en kvantemus foran deres Schrödingers Kat for at se, om den var levende eller død.
    Katten var et fanget elektromagnetisk felt (en flok mikrobølgefotoner i et hulrum). Forskerne sendte et Rydberg atom, der var blevet anslået til en superposition af to forskellige energitilstande, ind i hulrummet. Rydberg atomet overførte sin overlejrede tilstand til det tilstedeværende elektromagnetiske felt og satte det i en superposition af to forskellige fase- eller vibrationstilstande. Med sine to faser, mindede feltet således om Schrödingers Kat i dens mærkelige superposition mellem liv og død.
    Angående musen affyrede ENS holdet et andet Rydberg atom ind i hulrummet. Så overførte det elektromagnetiske felt information om sine overlejrede faser til atomet. Fysikerne sammenlignede det andet atom med det første, for at udlede superpositionsinformation om det elektromagnetiske felt.
    Det mere interessante var imidlertid holdets evne til at kontrollere altafgørende variabler og bestemme, hvordan kohærente tilstande bliver til klassiske. Ved at variere intervallet mellem de to atomer, der sendtes ind i hulrummet (fra 30 til 250 mikrosekunder), kunne de se, hvorledes superpositionens kollaps varierede som funktion af tiden og ved at forstærke det elektromagnetiske felt (ved at anbringe flere fotoner i hulrummet) kunne de se, hvordan kollapsen ændrede sig med størrelsen. "Dette er første gang vi kan observere den fremadskridende udvikling af kvante til klassisk adfærd", siger Haroche.
    "Det er et betagende eksperiment", siger Zurek entusiastisk. "At se en Schrödingers Kat er altid overraskende, men at kunne se katten tvunget til at foretage et valg mellem 'død' og 'levende', for første gang at observere den skøre kvanteadfærd forsvinde, er det virkelige kup". Endvidere stemte ENS resultaterne med de fleste teoretikeres tekniske forventninger. "Hvad det fortæller mig er", bemærker Zurek, "at de enkle ligninger, vi har nedskrevet, synes at være en god tilnærmelse".

Tab af kohærens

Zurek er den ledende fortaler for en teori, der kaldes dekohærens (adskillelse o.a.), som er baseret på den ide, at miljøet ødelægger kvante kohærens. Han formulerede den i 1980'erne (skønt noget af den rækker tilbage til Bohr og andre kvante grundlæggere) og har med forskellige medarbejdere undersøgt dens konsekvenser lige siden.
    Det destabiliserende miljø refererer essentielt til alt, som kan påvirkes af - og derfor utilsigtet "måle" - kvantesystemets tilstand: en enkelt foton, et molekyles vibration, luftpartikler. Miljøet er ikke simpelthen "støj" i denne teori; det virker som et apparat, der konstant overvåger systemet.
    ENS eksperimentet gør den virkning klar. "Systemet adskiller, fordi systemet lækker information", noterer Zurek. Nogle fotoner kan undslippe fra hulrummet og dermed afsløre de resterendes tilstand for resten af universet. "Så i en vis forstand får Schrödingers Kat killinger, der kravler ud", siger Zurek.
    At have miljøet til at definere den kvante-klassiske grænse har den fordel, at det fjerner nogle af de mystiske sider af kvanteteorien, som visse forfattere har udbredt. Det bortskaffer ethvert særligt behov for en bevidsthed eller nye fysiske kræfter til at bevirke et klassisk resultat. Det forklarer også, hvorfor størrelse i sig selv ikke er årsagen til adskillelse: store systemer, som dagligdagens katte, ville aldrig komme ind i en superposition, fordi alle partiklerne, der udgør katten, influerer på et enormt antal miljøparametre, hvilket umuliggør kohærens. Givet et lod på et gram i et pendul og nogle få fornuftige antagelser, falder interferenselementerne i systemets bølgefunktion til omkring 2,7^-1.000 af deres oprindelige værdi på et nanosekund - en i virkeligheden øjeblikkelig forsvinden af den skøre kvanteadfærd. "Den gamle intuition, der rækker tilbage til Bohr, stemmer på en prik", selv om der nu findes en fysisk mekanisme til at underbygge hans mandat, konkluderer Zurek.
    Dog, Zurek's adskillelsesmodel har fejl i nogles øjne. "Fra mit synspunkt vælger adskillelse ikke et bestemt resultat", mener Anthony J. Leggett fra University of Illinois. "I det virkelige liv, får man bestemte makroskopiske resultater".
Zurek argumenterer, at miljøet faktisk dikterer de kvantemuligheder, der ender op i den virkelige verden. Processen, som han refererer til som miljø-induceret superselektion, eller einselektion, smider de urealistiske kvantetilstande bort og beholder kun de tilstande, der kan modstå miljøets påvirkning og således blive klassiske. "Selektionen udføres af miljøet, så man kan ikke forudsige, hvilke af de tilladte sandsynligheder der vil blive virkelige", siger Zurek.
    Forklaringen føles ikke tilfredsstillende. Zurek's indfaldsvinkel er "meget tiltalende. Den lader en beregne ting, at se hvordan interferensbånd udviskes efterhånden, som superpositionen bliver større", siger NIST's Monroe. "Men der er stadig noget underligt ved den. Han fejer ting ind under gulvtæppet, men det er svært at sige hvilket tæppe". Problemet er, at adskillelse - og faktisk enhver teori om kvante-klassisk overgangen - nødvendigvis er ad hoc. Kvante superpositioner skal på en eller anden måde give resultater, der passer med vor opfattelse af virkeligheden i dagligdagen. Det fører til en cirkulær logik: Resultaterne, der ses i den makroskopiske verden, opstår fra kvanteverdenen, fordi de resultater er dem vi ser. En slags løsning, der advokeres af nogle få prominente kosmologer, er den stædige "mangeverdener" tolkning, som siger, at alle de muligheder, der angives af bølgefunktionen, faktisk sker. De fortsætter med at eksistere i parallelle universer. Ideen kan imidlertid ikke afprøves, for de parallelle universer forbliver for evigt utilgængelige for hinanden.

Radikale bearbejdninger

Problemerne med adskillelse og mangeverdener ideen har ledt en betragtelig minoritet til at støtte et synspunkt der kaldes GRW teori, ifølge Leggett. Begrebet blev fremsat i 1986 af GianCarlo Ghirardi og Tullio Weber fra University of Trieste og Alberto Rimini fra University of Pavia.
    Efter GRW skemaet spreder en partikels bølgefunktion sig ud med tiden. Men der er en lille sandsynlighed for, at den spredende bølge "rammer" et mystisk "noget" i baggrunden. Bølgefunktionen bliver pludselig lokaliseret. Individuelle partikler har kun en lille chance for et hit, omkring én gang hver 100 millioner år. Men for en makroskopisk kat er chancen, for at mindst én af dens omkring 10²⁷ partikler får et hit, høj, mindst en gang hver 100 picosekunder. Katten har i virkeligheden aldrig en chance for at komme i nogen slags superposition. Derfor er der intet behov for adskillelse: kattens makroskopiske tilstand er resultatet af spontane mikroskopiske kollapser.
    Nogle få problemer plager denne model. Et er, at tidsfaktoren, som udløser hittet, er fuldstændig arbitrær; fortalerne vælger simpelthen en, som frembringer fornuftige resultater. Mere vigtig er imidlertid udløserens kilde. "Grundlæggende findes der en slags universal baggrundsstøj, som ikke selv kan beskrives med kvantemekanik", forklarer Leggett. Støjen er ikke enkle tilfældige processer i miljøet; den har et distinkt matematisk anstrøg. Roger Penrose fra University of Oxford argumenterer i sin bog Shadows of the Mind for, at udløseren kan være gravitationen, hvilket elegant ville overvinde visse tekniske indvendinger.
    Det vrimler med andre mere radikale forslag. Det mest velkendte blev fremsat af afdøde David Bohm, som postulerede, at "skjulte variabler" underligger kvantemekanik. Disse variabler - der beskriver egenskaber, som på en måde gør bølgefunktioner til virkelige kræfter - ville eliminere forestillingen om superpositioner og genskabe en deterministisk virkelighed. Som mangeverdener ideen kan Bohm's teori ikke verificeres: de skjulte variabler forbliver pr. definition, tja, skjulte.
    Givet sådanne valg foretrækker mange arbejdende fysikere adskillelse, som gør de færreste overskridelser af gængse opfattelser, selv om den ikke løser måleproblemet fuldt ud. "Adskillelse gør rede for de fysiske aspekter ved spørgsmålene", siger Zurek, men den kommer ikke til de metafysiske, som hvordan et bevidst sind perciperer et resultat. "Det er ikke klart, om man har ret til at forvente svar på alle spørgsmål, i det mindste ikke før vi udvikler en bedre forståelse for, hvordan hjernen og sindet er relateret", spekulerer han.
    Større superpositioner kunne sætte fysikerne i stand til at begynde at udelukke nogle teorier - GRW og adskillelse forudsiger dem for eksempel på forskellige skalaer. "Vi kunne tænke os at gå til mere komplekse systemer og sammenvikle flere og flere partikler" end bare de få 10, vi fangede tidligere, siger Haroche fra ENS. Fremtidige NIST eksperimenter er især velegnede til at virke som "adskillelses overvågere", forsikrer Monroe. "Vi kan simulere støj for med vilje at forårsage, at superpositionen henfalder". Leggett har foreslået, at man bruger sensorer lavet af superledende ringe (kaldet SQUIDs): det skulle være muligt at etablere stærke strømme, der flyder i modsatte retninger rundt i ringen samtidig.
    Alligevel er der lang vej at gå. "Selv i de mest spektakulære eksperimenter har man højst vist en superposition for måske 5.000 partikler. Det er langt fra de 10²³, der er karakteristisk for den makroskopiske verden", siger Leggett, som ikke desto mindre forbliver bekræftende. "Min egen indstilling er, at man bare skal prøve at lave eksperimenter for at se, om kvantemekanikken stadig virker".
    Krympende transistorer, som nu har dele, der er mindre end en mikron, kan også føre til indsigter om kvante-klassisk overgangen. Om nogle få år kan de nå dimensioner på tiendedele af en nanometer, et område, der sommetider kaldes den mesoskopiske skala. Da Hsuan Feng fra Drexel Universitet spekulerer på, at kvantemekanikken måske ikke fører til klassisk mekanik: begge beskrivelser udspringer måske snarere fra uopdagede begreber i det fysiske område mellem dem.

Kvanteberegning

Selv om eksperimenter endnu ikke kan takle måleproblemet fuldt ud, har de meget at bidrage med til et meget aktuelt område: kvanteberegning. En klassisk computer er opbygget af transistorer, som skifter mellem 0 eller 1. I en kvantecomputer forbliver "transistorerne" i en superposition af 0 og 1 (kaldet en kvantebit eller qubit); beregninger foregår via vekselvirkninger mellem overlejrede tilstande indtil en måling udføres. Så kollapser superpositionerne og maskinen leverer et slutresultat. Fordi den teoretisk kan behandle mange mulige svar samtidig, ville en kvantecomputer udføre opgaver, som at faktorere store tal for at bryde koder, der ville tage år for en klassisk maskine, på sekunder.
    I december 1995 var havde forskere succes med at skabe to-bit kvantesystemer. Monroe og hans kolleger fremstillede en logisk enhed, kaldet en kontrolleret NOT gate, af en beryllium ion. Ionen fanges og afkøles til sin laveste vibrationstilstand. Denne tilstand og den første anslåede tilstand udgør én bit. Den anden bit er spin én af ionens elektroner. Laserimpulser kan tvinge bit'erne ind i superpositioner og skifte den anden bit afhængig af den første bit's tilstand. Andre variationer af gates kobler to fotoner via et atom i et hulrum eller transmitterer et par sammenviklede fotoner gennem et netværk af detektorer.
    Alligevel forbliver skabelsen af en nyttig kvantecomputer, der afhænger af superpositioner af tusinder af ioner, der udfører milliarder af operationer, tvivlsom. Problemet? Tab af superposition. De logiske gates skal være hurtige nok til at arbejde før qubits'ene taber kohærens. Ved anvendelse af data fra NIST gate eksperimentet, beregnede Haroche og Raimond i en artikel i Physics Today i August 1996, at givet gatehastigheden på 0,1 millisekund ville bits'ene være nødt til at forblive i en superposition i mindst et år for at udføre en meningsfuld beregning (i dette tilfælde faktorering af et tal på 200 cifre).
    Andre fysikere er mindre pessimistiske, da fejlrettelseskode (som er uundværlig i klassisk beregning) kan være løsningen. "Den giver instruktioner om, hvordan man reparerer skaden", siger David DiVincenzo fra IBM Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, N.Y.
    Desuden peger DiVincenzo på, at en ny metode til kvanteberegning, som gør brug af kernemagnetisk resonans (nuclear magnetic resonance, NMR) teknikker, kunne hæve kohærenstiderne til et sekund eller mere. Lad os sige, at vi f.eks. anbringer en væske - en kop kaffe - i et magnetisk felt; på grund af termisk vibration og andre kræfter ville kun en ud af hver million kerner i koffeinmolekylerne rette sig ind efter det magnetiske felt. Disse særlige kerner kan manipuleres med radiobølger, så deres spin anbringes i en superposition af op og ned. Det er nemmere at opretholde kohærensen her end i de andre teknikker, fordi de kernespin, der er i superpositionerne, er godt beskyttet fra miljøet af den omgivende tumult af boblende molekyler, hvis afsindige faren rundt midler ud til nul. Den beregnende koffein sidder faktisk i en orkans stille øje. To grupper har fornylig demonstreret kvanteberegning ved brug af NMR, de anvendte en fire-qubit version til at summere 1 og 1. Mere komplicerede systemer, som måske anvender 10 qubits kunne være klar ved årets slutning.
    Ulempen er udlæsning. Uden nogen måde at detektere individuelle spin på, må forskerne måle alle molekylernes spin - både qubits og ikke-qubits. Komplekse molekyler, der kan opretholde mange spin, er derfor mere "støjende" end de mere enkle. "De vil kunne lave nogle gode ting", siger Monroe, "men ud over 10 bits løber de ind i grundlæggende problemer". Output fra 10 bits er kun 0,001 så kraftigt som for en enkelt bit; for 20 er output nede med en million. Så det er ikke sikkert, at NMR teknikken vil komme til et meningsfyldt beregningsområde på mindst 50 bits.
    Der kan imidlertid findes andre anvendelser for kvante superpositioner. Stroud foreslår dataopbevaring på et atom, fordi en elektron i et Rydberg atom kunne fås til at indtage en superposition af 2.500 forskellige energiniveauer. "Det betyder, at elektronens bølgefunktion kan være temmelig kompleks og indkode en stor mængde information." forklarer Stroud. Han demonstrerede muligheden teoretisk ved at skrive "OPTICS" på et atom. Andre anvendelser for kvante superposition, som i kryptografi, kemi og endda teleportation, er blevet demonstreret. Schrödingers Kat i kassen har måske narret de bedste filosofiske sind indtil videre, men den forekommer at have fundet rigeligt af teknologiske grunde til at blive på plads.

Jobs til kvantekatte

Forskere har foreslået og demonstreret adskillige teknikker, der udnytter sammenviklede og overlejrede kvantetilstande, som f.eks. kvanteberegning. Nogle få andre skemaer er følgende:

KVANTEKEMI
Ved brug af lasere kan forskere anbringe molekyler i en superposition af reaktionsveje; de kan så kontrollere den kemiske proces ved at justere graden af interferens. Senest i december adskilte arbejdere isotoper med en lignende teknik. Forhindringer inkluderer mindre end praktiske effektivitetsniveauer og vanskeligheder med at kontrollere laserens fasekarakteristikker.

KVANTE NØGLE KRYPTOGRAFI
En meget bedre udsigt end kvanteberegning har kvante nøgle kryptografi. Legitime kommunikatorer skaber fælles nøgler ved at bruge fotoners polarisation. Lytning til disse nøgler ville øjeblikkeligt blive bemærket, fordi det ville forstyrre nøglefotonernes tilstande. Kvante kryptografi er blevet vist at virke over flere kilometer i optiske fibre.

KVANTE TELEPORTATION
Ideen har ikke så meget med Star Trek at gøre, som med at rekonstruere ødelagt information. Nøglen er Einstein-Podolsky-Rosen virkningen, der viser, at to fotoner kan forblive viklet sammen, ligegyldigt hvor langt de er fra hinanden, indtil der udføres en måling (hvilket øjeblikkeligt anbringer begge i en bestemt tilstand). Alice ta'r den ene EPR foton, Bob den anden. Senere måler Alice sin EPR foton med hensyn til en tredje foton. Bob kan bruge den relative måling til at genskabe Alice's ikke-EPR foton. Om Bob virkelig rematerialiserede fotonen eller blot skabte en uskelnelig klon er uklart. Forskere på University of Innsbruck har angiveligt demonstreret fænomenet, som kan have anvendelser i kvantekryptografi.

KVANTE LASER OPTIK
Lasere kræver normalt en populationsinversion, en tilstand, hvori antallet af atomer i anslået tilstand overstiger antallet i grundtilstanden; de anslåede atomer udsender laserfotoner, når de falder til grundtilstanden. I 1995 forbigik forskere dette krav. Når man laser uden inversion giver to koblingslasere atomerne i grundtilstanden to veje til et højere energiniveau. Interferens mellem vejene gør atomerne i grundtilstanden usynlige og derfor behøves der færre anslåede atomer. Sådanne lasere kræver ikke så stor strømforsyning og kunne i princippet udsende lys i det ønskede røntgenstråle område.

Yderligere Læsning

Decoherence and the Transition from Quantum to Classical. Wojciech Zurek in Physics Today, Vol. 44, No. 10, pages 36-44; October 1991.

Where does the Weirdness go?. David Lindley. Basic Books, 1996.

Schrödingers Machines. Gerard J. Milburn. W.H. Freeman and Co., 1997.

Links:

Centre for Quantum Computing Oxford University

Kvanteforskning på IBM.

Kvanteberegning og Kryptografi på Los Alamos.

Kvanteeksperimenter i Wien, Østrig

o.a.: kohæ'rent (lat.) sammenhængende; kohæ'rens sammenhæng mods. inkohærens; ko'hærer en art detektor, der benyttedes i radiotelegrafiens første tid; kohæ'rere hænge sammen; kohæsion sammenhængskraft; kohæ'siv som frembringer sammenhæng, binder sammen.

inkohæ'rens (lat.) det at være inkohærent; inkohæ'rent usammenhængende.

Oversat fra Bringing Schrödingers Cat to Life, Scientific American, Juni 1997, pp. 104-109.

1. november, 2005.

Indhold
Om mangeverdener tolkningen af kvantemekanik :Én sti: Kvanteberegning med molekyler
Index