Vi lever i en kvanteverden

Kvantemekanik er ikke kun om bittesmå partikler. Den gælder for ting af alle størrelser: fugle, planter, måske endda folk

Vlatko Vedral*

Indhold:

Indledning

En sammenviklet fortælling

At opføre sig som én

Schrödingers fugle

Meningen med det hele, emergent rumtid

Box: Observation af observatøren

Mere at udforske

Hvad går let, kommer let

Klorofyl kraft

Kort sagt

Kvantemekanik siges almindeligvis at være en teori om mikroskopiske ting: molekyler, atomer, subatomare partikler.

Men næsten alle fysikere mener, at den gælder for alting ligegyldigt hvad størrelsen er. Grunden til at dens distinkte egenskaber har tendens til at være skjulte er ikke et simpelt spørgsmål om skala.

Den kvintessentielle kvantevirkning, entanglement, kan forekomme i store systemer såvel som varme systemer - inkluderende levende organismer - selvom molekylær rysten måske kan forventes at forstyrre entanglement.

Indledning

Ifølge standard fysiklærebøger er kvantemekanik teorien om den mikroskopiske verden. Den beskriver partikler, atomer og molekyler men giver plads for klassisk fysik på de makaroskopiske skalaer af pærer, folk og planeter. Et eller andet sted mellem molekyler og pærer ligger der en grænse, hvor kvanteadfærdens mærkværdigheder slutter og den klassiske fysiks velkendte egenskaber begynder. Indtrykket, at kvantemekanik er begrænset til mikroverdenen, gennemtrænger den offentlige forståelse af videnskab. For eksempel skriver fysiker på Colombia University, Brian Greene, på den første side af sin enormt succesfulde (og ellers fortræffelige) bog The Elegant Universe, at kvantemekanik "giver de teoretiske rammer for at forstå universet på de mindste skalaer." Klassisk fysik, som udgøres af enhver teori der ikke er kvantisk, inkluderende Einsteins relativitetsteori, behandler de største skalaer.

Men denne bekvemme opdeling af verden er en myte. Kun få moderne fysikere mener at klassisk fysik har ligeværdig status med kvantemekanik; klassisk fysik er kun en nyttig tilnærmelse til en verden, der er kvantisk på alle skalaer. Skønt kvantevirkninger kan være vanskelige at se i makroverdenen, har grunden intet at gøre med størrelse i sig selv, men med måden kvantesystemer vekselvirker med hinanden på. Indtil det seneste årti havde eksperimentatorerne ikke bekræftet, at kvanteadfærd vedvarer på en makroskopisk skala. Idag gør de det imidlertid rutinemæssigt. Disse virkninger er mere gennemtrængende end nogen nogensinde havde mistænkt. De virker måske i cellerne i vores legeme.

Selv de af os, som gør en karriere ud af at studere disse virkninger, mangler stadig at fordøje, hvad de fortæller os om naturens virkemåde. Kvanteadfærd unddrager sig visualisering og sund fornuft. Den tvinger os til at omtænke, hvordan vi ser på universet og acceptere et nyt og uvant billede af vor verden.

En sammenviklet fortælling

For en kvantefysiker er klassisk fysik et sort-hvidt billede af en Technicolor verden. Vore klassiske kategorier indfanger ikke den verden i al dens rigdom. I det gamle lærebogssynspunkt bliver de rige farver vasket ud med stigende størrelse. Individuelle partikler er kvantiske; en masse er de klassiske. Men de første tegn på at størrelse ikke er den bestemmende faktor går tilbage til et af de mest berømte tankeeksperimenter i fysik, Schrödingers Kat.

Erwin Schrödinger fremkom med sit syge scenario i 1935 for at illustrere, hvordan mikroverdenen og makroverdenen kobler til hinanden og forhindrer at der trækkes tilfældige linier mellem dem. Kvantemekanik siger, at et radioaktivt atom kan være både henfaldet og ikke henfaldet samtidigt. Hvis atomet er kædet sammen med en flaske kattegift, så katten dør hvis atomet henfalder, så bliver dyret efterladt i det samme kvantelimbo som atomet. Det skøre ved det ene inficerer det andet. Størrelse betyder intet. Gåden var, hvorfor katteejere kun ser deres kæledyr som levende eller døde.

I det moderne synspunkt ser verden klassisk ud, fordi de komplekse vekselvirkninger, som et objekt har med sine omgivelser, sammensværger sig om at skjule kvantevirkninger fra vor udsigt. Information om en kats helbred, for eksempel, lækker hurtigt ind i dens miljø i form af fotoner og en udveksling af varme. Distinkte kvantefænomener involverer kombinationer af forskellige klassiske tilstande (som både levende og død) og disse kombinationer har tendens til at opløses og spredes. Lækken af information er det væsentlige i en proces kaldet dekohærens [se "100 Years of Quantum Mysteries," af Max Tegmark og John Archibald Wheeler; Scientific American, Februar 2001], [100 års kvantemysterier].

Større ting tenderer til at være mere udsat for dekohærens end mindre, hvilket berettiger hvorfor fysikere kan slippe afsted med at betragte kvantemekanik som en teori om mikroverdenen. Men i mange tilfælde kan informationslækagen bremses eller stoppes og så afslører kvanteverdenen sig selv overfor os i al sin pragt. Den kvintessencielle kvantevirkning er entanglement, en betegnelse Schrödinger udmøntede i det samme skrift fra 1935, som introducerede hans kat til verdenen. Entanglement binder individuelle partikler sammen til et udeleligt hele. Et klassisk system er altid deleligt, i det mindste i princippet; hvad end kollektive egenskaber, det har, opstår fra komponenter, som selv har visse egenskaber. Men et entanglet system kan ikke nedbrydes på denne måde. Entanglement har mærkelige konsekvenser. Selv når de entanglede partikler er langt fra hinanden opfører de sig alligevel som en enkelt entitet, hvilket fører til det Einstein kaldte "spøgelsesagtig virkning på afstand."

Sædvanligvis taler fysikere om entanglement af par af elementarpartikler som elektroner. Man kan forestille sig sådanne partikler, groft, som små spindende toppe, der roterer enten med uret eller mod uret, med deres akser pegende i enhver given retning: horisontalt, vertikalt, ved 45 grader og så videre. For at måle en partikels spin skal man vælge en retning og så se om partiklen spinder i den retning.

Antag, for diskussionens skyld, at elektroner opførte sig klassisk. Man kunne sætte én elektron til at spinde i den horisontale med uret retning og den anden i den horisontale mod uret retning; på den måde er deres totale spin nul. Deres akser forbliver faste i rummet og når man laver en måling afhænger resultatet af hvorvidt retningen man vælger retter ind med partiklens akse. Hvis man måler dem begge horisontalt ser man begge spinde i modsatte retninger; hvis man måler dem vertikalt detekterer man slet ikke spin for dem begge.

For kvantiske elektroner er situationen forbavsende anderledes. Man kan sætte partiklerne op til at have et totalt spin på nul, selv når man ikke har specificeret, hvad deres individuelle spin er. Når man måler en af partiklerne, vil man se den spinde med uret eller mod uret tilfældigt. Det er som om partiklen for sig selv beslutter, hvilken vej den skal spinde. Ikke desto mindre gælder det, at ligegyldigt hvilken retning man vælger at måle elektronerne, forudsat at det er den samme for begge, vil de altid spinne på modsatte måder, en med uret og en mod uret. Hvordan ved de at de skal gøre det? Det forbliver aldeles mystisk. Hvad mere er, hvis man måler en partikel horisontalt og den anden vertikalt, vil man alligevel detektere noget spin for hver; det ser ud til at partiklerne ikke har nogen faste rotationsakser. Derfor passer måleresultaterne sammen i en udstrækning, som klassisk fysik ikke kan forklare.

Kvantesalt

Fysikere plejede at mene, at distinkte kvantefænomener kun ville virke på individuelle partiklers niveau; mægtig store klynger af partikler ville opføre sig klassisk. Nylige eksperimenter viser noget andet. For eksempel, peger atomerne i en saltkrystal typisk i tilfældige retninger (herunder til venstre) og retter sig ind når fysikerne påfører et magnetfelt. De retter sig ind hurtigere end de ville, hvis det kun var klassisk fysik der virkede (herunder i midten). Åbenbart hjælper kvantefænomenet entanglement – den ”spøgelsesagtige virkning” der koordinerer egenskaberne hos vidt spredte partikler – med at bringe dem på linie (herunder til højre). Entanglements rolle afsløres af en måling af krystallens magnetiske egenskaber (graf).

At opføre sig som én

De fleste demonstrationer af entanglement involverer højst en håndfuld partikler. Større portioner er vanskelige at isolere fra deres omgivelser. Partiklerne i dem er mere sandsynlige til at blive entangled med omstrejfende partikler, hvilket skjuler deres oprindelige forbundethed. Ifølge dekohærensens sprog lækker for megen information ud til miljøet, hvilket får systemet til at opføre sig klassisk. Vanskeligheden ved at bevare entanglement er en vigtig udfordring for de af os, der søger at udnytte disse nye virkninger til praktisk brug, såsom kvantecomputere.

Et fikst eksperiment i 2003 beviste, at større systemer også kan forblive entangled, når lækken reduceres eller på en eller anden måde modvirkes. Gabriel Aeppli fra University College London og hans kolleger tog et stykke lithium fluorid salt og satte det i et ydre magnetfelt. Man kan forestille sig atomerne i saltet som små spindende magneter, der prøver at rette sig ind med det ydre felt, en reaktion kaldet magnetisk modtagelighed. Kræfter, som atomerne udøver på hinanden, virker som en slags gruppepres for at rette dem ind hurtigere. Når forskerne varierede styrken af det magnetiske felt, målte de hvor hurtigt atomerne blev rettet ind. De fandt, at atomerne reagerede meget hurtigere end styrken af deres fælles vekselvirkninger ville antyde. Øjensynligt hjalp en virkning atomerne med at handle ens og forskerne hævdede, at entanglement var synderen. Hvis det var sådan dannede de 10²⁰ atomer en enorm entangled tilstand.

For at undgå de forvirrende virkninger af de tilfældige bevægelser i forbindelse med varmeenergi lavede Aepplis hold deres eksperimenter ved ekstremt lave temperaturer - nogle få millikelvin. Siden da har Alexandre Martins de Souza fra Brazilian Center for Physics Research i Rio de Janeiro og hans kolleger opdaget mikroskopisk entanglement i materialer som kobber carboxylat ved rumtemperatur og højere. I disse systemer er vekselvirkningen mellem partikelspin stærk nok til at modstå varmekaos. I andre tilfælde afværger en ydre kraft varmevirkninger [se "Easy Go, Easy Come," af George Musser; News Scan, Scientific American, November 2009], [Hvad der går let, kommer let]. Fysikere har set entanglement i systemer af stigende størrelse og temperatur, fra ioner fanget af elektromagnetiske felter til ultrakolde atomer i gitre til superledende kvantebits.

Disse systemer er analoge med Schrödingers Kat. Overvej et atom eller en ion. Dets elektroner kan eksistere tæt på kernen eller længere væk - eller begge samtidigt. En sådan elektron opfører sig som det radioaktive atom, der enten er henfaldet eller ikke henfaldet i Schrödingers tankeeksperiment. Uafhængigt, af hvad elektronen gør, kan hele atomet være i bevægelse, f.eks., til venstre eller højre. Denne bevægelse spiller rollen som den døde eller levende kat. Ved brug af lasere til at manipulere atomet kan fysikerne koble de to egenskaber. Hvis elektronen er tæt på kernen kan vi få atomet til at bevæge sig til venstre, hvorimod hvis elektronen er længere væk, bevæger atomet sig til højre. Så elektronens tilstand er entangled med atomets bevægelse på samme måde som det radioaktive henfald er entangled med kattens tilstand. Kattedyret, som er både levende og dødt, efterlignes af et atom, der bevæger sig både til venstre og til højre.

Andre eksperimenter opskalerer denne grundlæggende ide, så enorme antal atomer bliver entangled og går ind i tilstande, som klassiske fysikere ville anse for umulige. Og hvis faste stoffer kan være entangled, selv når de er store og varme, kræver det kun et lille hop af fantasien til at spørge om det samme kunne gælde for en meget speciel slags stort, varmt system: liv.

Schrödingers fugle

Europæiske rødkælke er driftige små fugle. Hvert år emigrerer de fra Skandinavien til de varme sletter i ækvatorielt Afrika og vender tilbage om foråret, når vejret oppe nordpå bliver mere udholdeligt. Rødkælkene flyver denne rundtur på omkring 13.000 kilometer med naturlig lethed.

Folk har længe spekuleret på om fugle og andre dyr måske har en slags indbygget kompas. I 1970'erne fangede ægteparret Wolfgang og Roswitha Wiltschko fra University of Frankfurt i Tyskland rødkælke, der havde emigreret til Afrika, og satte dem i kunstige magnetfelter. Mærkværdigvis fandt de, at rødkælkene var ligeglade med en vending af magnetfeltets retning, hvilket viste, at de ikke kunne kende forskel på nord og syd. Men fuglene reagerede imidlertid på hældningen af jordens magnetfelt - dvs., den vinkel som feltlinierne har med overfladen. Det er alt, hvad de behøver for at kunne navigere. Interessant nok reagerede fugle med bind for øjnene slet ikke på et magnetfelt, hvilket viser, at de på en eller anden måde sanser feltet med øjnene.

I 2000 foreslog Thorsten Ritz, fysiker som da var på University of Southern Florida, og hans kolleger, som har en passion for trækfugle, at entanglement er nøglen. I deres scenario, som bygger på forudgående arbejde af Klaus Schulten fra University of Illinois, har et fugleøje en type molekyle, i hvilket to elektroner danner et entangled par med nul totalt spin. En sådan situation kan simpelthen ikke efterlignes med klassisk fysik. Når dette molekyle absorberer synligt lys får elektronerne nok energi til at adskilles og blive følsomme for ydre indflydelser, inkluderende jordens magnetfelt. Hvis magnetfeltet hælder, påvirker det de to elektroner forskelligt og skaber en ubalance, der ændrer den kemiske reaktion, som molekylet gennemgår. Kemiske stier i øjet oversætter denne forskel til neurologiske impulser, som i sidste ende frembringer et billede af magnetfeltet i fuglens hjerne.

Skønt vidnesbyrdene for Ritzs mekanisme er indicier har Christopher T. Rodgers og Kiminori Maeda fra University of Oxford studeret molekyler som ligner Ritzs i laboratoriet (i modsætning til inde i levende dyr) og vist, at disse molekyler virkelig er følsomme overfor magnetiske felter på grund af elektron entanglement. Ifølge beregninger, som mine kolleger og jeg har udført, består kvantevirkninger i en fugls øje i omkring 100 mikrosekunder - hvilket, i denne sammenhæng, er lang tid. Rekorden for et kunstigt konstrueret elektron-spin system er omkring 50 mikrosekunder. Vi ved endnu ikke, hvordan et naturligt system kan bevare kvantevirkninger så længe, men svaret kunne give os ideer til, hvordan man beskytter kvantecomputere fra dekohærens.

En anden biologisk proces, hvor entanglement måske virker, er fotosyntese, processen hvor igennem planter omdanner sollys til kemisk energi. Indfaldende lys kaster elektroner inde i celler ud og disse elektroner skal alle finde vej til det samme sted: det kemiske reaktionscenter, hvor de kan afsætte deres energi og starte reaktionen, der driver planteceller. Klassisk fysik mangler at forklare den næsten perfekte effektivitet, hvormed de gør det.

Adskillige gruppers eksperimenter, som Graham R. Fleming, Mohan Sarovar og deres kollegers på University of California, Berkeley og Gregory D. Scoles fra University of Toronto, antyder, at kvantemekanik redegør for processens høje effektivitet. I en kvanteverden behøver en partikel ikke kun tage en bane af gangen; den kan tage dem allesammen samtidigt. De elektromagnetiske felter inde i planteceller kan forårsage, at nogle af disse baner udligner hinanden og derved reducerer chancen for at elektronen vil tage en spildt omvej og forøge chancen for at den vil blive styret lige mod reaktionscentret.

Entanglementet ville kun vare en brøkdel af et sekundt og ville involvere molekyler, der ikke har mere end omkring 100.000 atomer. Eksisterer der tilfælde med større og mere vedholdende entanglement i naturen? Det ved vi ikke, men spørgsmålet er spændende nok til at stimulere et opdukkende felt: kvantebiologi.

Meningen med det hele, emergent rumtid

For Schrödinger var udsigten til katte, der var både levende og døde, absurd; enhver teori, der gav en sådan forudsigelse, måtte bestemt være fejlbehæftet. Generationer af fysikere delte dette ubehag og mente, at kvantemekanik ville holde op med at virke på endnu større skalaer. I 1980'erne foreslog Roger Penrose fra Oxford, at gravitation måske kunne få kvantemekanik til at give plads for klassisk fysik for genstande mere massive end 20 mikrogram og en trio af italienske fysikere - GianCarlo Ghirardi og Tomaso Weber fra University of Trieste og Alberto Rimini fra University of Pavia - foreslog, at store antal partikler spontant opfører sig klassisk. Men eksperimenter efterlader nu meget lidt plads til, at sådanne processer kan virke. Opdelingen mellem de kvantiske og klassiske verdener ser ud til ikke at være fundamental. Det er kun et spørgsmål om eksperimental opfindsomhed og få fysikere mener nu at klassisk fysik nogensinde vil gøre comeback på en hvilkensomhelst skala. Om noget er den almene opfattelse, at hvis en dybere teori nogensinde erstatter kvantefysik, vil den vise, at verden strider endnu mere imod intuitionen end noget, vi har set indtil nu.

Førende eksperimenter: Entanglement varmer op

Kvantevirkninger er ikke begrænsede til subatomare partikler. De viser sig også på større og varmere systemer.

Hvad	Hvornår	Hvor varm	Hvem
Observeret interferensmønster for buckyballs, viser for første gang at molekyler, som elementarpartikler, opfører sig som bølger	1999	900-1.000Kelvin	Markus Arndt, Anton Zeilinger et al. (University of Vienna)
Udledt entanglement af trillioner af atomer (eller flere) fra metal carboxylaters magnetiske modtagelighed	2009	630K	Alexandre Martins de Souza et al. (Brazilian Center for Physics Research)
Fandt at kvantevirkninger forbedrer fotosyntetisk effektivitet i to arter marinealger	2010	294K	Elisabetta Collini et al. University of Toronto, University of New South Wales og University of Padua)
Satte en ny verdensrekord i at observere kvantevirkninger i gigantiske molekyler, inklusive et blæksprutteformet med 430 atomer	2011	240-280K	Stefan Gerlich, Sandra Eibenberger et al. (University of Vienna)
Entangled tre kvantebits i et superledende kredsløb. Proceduren kan skabe kvantesystemer af enhver størrelse	2010	0,1K	Leonardo DiCarlo, Robert j. Schoelkopf et al. (Yale University og University of Waterloo)
Overtalte en lille vippe omkring 40 micron lang (lige synlig for det nøgne øje) til at vibrere ved to forskellige frekvenser samtidigt	2010	25 millikelvin	Aaron O’Connell, Max Hofheinz et al. (University of California, Santa Barbara)
Entangled strenge af otte calcium ioner holdt i en ionfælde. I dag klarer forskerne 14	2005	0,1 mK	Hartmut Häffner, Rainer Blatt et al. (University of Innsbruck)
Entangled vibrationsbevægelsen – snarere end interne egenskaber som spin – af beryllium- og magnesiumioner	2009	0,1 mK	John D. Jost, David J. Wineland et al. (National Institute of Standards and Technology)

Således tvinger den kendsgerning, at kvantemekanik gælder på alle skalaer, os til at konfrontere teoriens dybeste mysterier. Vi kan ikke simpelthen afskrive dem som værende detaljer, der kun betyder noget på de mindste skalaer. For eksempel er rum og tid to af de mest fundamentale klassiske begreber, men ifølge kvantemekanikken er de sekundære. Entanglement er primær. Entanglement forbinder kvantesystemer uden reference til rum og tid. Hvis der fandtes en opdelene linie mellem den kvantiske og klassiske verden kunne vi bruge den klassiske verdens rum og tid til at give rammerne til at beskrive kvanteprocesser. Men uden en sådan opdelene linie - og, virkeligt, uden en sandt klassisk verden - mister vi disse rammer. Vi skal forklare rum og tid som på en eller anden måde dukkende frem fra fundamentalt rumløs og tidsløs fysik.

Den indsigt kan måske derefter hjælpe os forene kvantefysik med fysikkens anden store søjle, Einsteins almene relativitetsteori, som beskriver gravitationskraften ved hjælp af rumtidens geometri. Almen relativitet antager at objekter har veldefinerede positioner og aldrig befinder sig mere end et sted på samme tid - i direkte modstrid med kvantefysik. Mange fysikere, som Stephen Hawking fra University of Cambridge, mener at relativitetteori skal give efter for en dybere teori, i hvilken rum og tid ikke findes. Klassisk rumtid dukker frem fra kvanteentanglement gennem dekohærensprocessen.

En endnu mere interessant mulighed er, at gravitation ikke i sig selv er en kraft men den resterende støj, der dukker frem fra kvantesløret af de andre kræfter i universet. Denne ide med "induceret gravitation" går tilbage til den russiske kernefysiker og dissident Andrei Sakharov i 1960'erne. Hvis den er sand ville den ikke blot degradere gravitation fra status som fundamental kraft men også antyde, at anstrengelser for at "kvantisere" gravitation er vildledte. Måske findes gravitation slet ikke på kvanteniveauet.

Hvad det fører til, at makroskopiske objekter, som os, er i en kvantelimbo, er forbavsende nok til, at vi fysikere stadig er i en entangled tilstand af forvirring og undren.

Observation af observatøren

Ideen, at kvantemekanik gælder for alting i universet, selv for os mennesker, kan føre til nogle mærkelige konklusioner. Overvej denne variant af den ikoniske Schrödingers Kat tankeeksperiment, som Nobelpristageren Eugene P. Wigner kom op med i 1961 og som David Deutsch fra University of Oxford arbejdede videre med i 1986.

Antag, at en meget dygtig eksperimentel fysiker, Alice, sætter sin ven Bob inde i et rum med en kat, et radioaktivt atom og kattegift, der udløses hvis atomet henfalder. Pointen med at have et menneske dér er, at vi kan kommunikere med ham. (At få svar fra en kat er ikke så nemt). Hvad Alice angår går atomet ind i en tilstand af at være både henfaldet og ikke henfaldet, således at katten er både død og levende. Bob kan imidlertid direkte observere katten og ser den som det ene eller det andet. Alice skubber et stykke papir under døren, hvor hun spørger Bob om katten er i en bestemt tilstand. Han svarer “ja.”

Bemærk, at Alice ikke spørger om katten er død eller levende, da det for hende ville fremtvinge resultatet eller, som fysikere siger, “kollapse” tilstanden. Hun er tilfreds med at observere, at hendes ven ser katten som enten død eller levende og spørger ikke hvad den er.

Fordi Alice undgik at kollapse tilstanden, hævder kvanteteorien, at det, at skubbe papiret under døren, var en reversibel handling. Hun kan gøre alle de trin, hun foretog sig, ugjorte. Hvis katten var død, ville den nu være i live, giften ville være i flasken, partiklen ville ikke være henfaldet og Bob ville ikke have noget minde om nogensinde at have set en død kat.

Og dog er der et spor tilbage: papirstykket. Alice kan gøre observationen ugjort på en måde, der ikke også gør teksten på papiret ugjort. Papiret forbliver bevis for, at Bob havde observeret katten som bestemt i live eller død.

Det fører til en forbavsende konklusion. Alice var i stand til at omvende observationen, fordi hun, så vidt det angår hende, undgik at kollapse tilstanden; for hende var Bob i en ligeså ubestemt tilstand som katten. Men vennen inde i rummet mente, at tilstanden kollapsede. Den person så et bestemt resultat; papiret er bevis for dette. På denne måde demonstrerer eksperimentatoren to tilsyneladende modstridende principper. Alice mener, at kvantemekanik gælder for makroskopiske objekter: ikke blot katte men også Bob’er kan være i et kvantelimbo. Bob mener at katte kun er enten døde eller levende.

At udføre et sådant eksperiment med et helt menneske ville være skræmmende, men fysikerne kan opnå meget det samme med enklere systemer. Anton Zeilinger og hans kolleger på University of Vienna tager en foton og springer den af på et stort spejl. Hvis fotonen reflekteres, rekylerer spejlet, men hvis fotonen transmitteres, forbliver spejlet i ro. Fotonen spiller rollen som det henfaldende atom; den kan eksistere samtidigt i mere end en tilstand. Spejlet, som består af milliarder af atomer, virker som katten og som Bob. Om det rekylerer eller ej svarer til om katten lever eller dør og ses leve eller dø af Bob. Processen kan vendes om ved at reflektere fotonen tilbage på spejlet. På mindre skalaer har hold ledes af Rainer Blatt fra University of Innsbruck og af David J. Wineland fra National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado, omvendt målingerne af vibrerende ioner i en ionfælde.

Ved at udvikle dette vilde tankeeksperiment fulgte Wigner og Deutsch i fodsporene af Erwin Schrödinger, Albert Einstein og andre teoretikere, som hævdede at fysikerne endnu mangler at begribe kvantemekanik på nogen dyb måde. I årtier tog de fleste fysikere sig ikke af det, fordi de grundlæggende emner ikke havde nogen indvirkning på praktiske anvendelser af teorien. Men nu, hvor vi kan udføre disse eksperimenter i virkeligheden, er opgaven med at forstå kvantemekanikken blevet endnu mere presserende.

Mere at udforske

Entangled Quantum State of Magnetic Dipoles. S. Ghosh et al. i Nature. Vol 425, side 48-51; 4. September, 2003. Fortryk findes på http://arxiv.org/abs/cond-mat/0402456

Entanglement in Many-Body Systems. Luigi Amico, Rosario Fazio, Andreas Osterloh og Vlatko Vedral i Reviews of Modern Physics. Vol 80, No. 2, side 517-576; 6. Maj, 2008. http://arxiv.org/abs/quant-ph/0703044

Decoding Reality: The Universe as Quantum Information. Vlatko Vedral. Oxford University Press, 2010.

* Vlatko Vedral blev kendt ved at udvikle en ny måde, hvorpå man kan kvantificere entanglement og anvende den på makroskopiske fysiske systemer. Han studerede på Imperial College London. Siden Juni 2009 har han været i en entangled tilstand af professorat på University of Oxford og på National University of Singapore. Ud over fysik nyder Vedral at bruge tid med sine tre børn og spille på sin Yamaha elektriske guitar med Marshall forstærkeren skruet op på 11.

Fra Living in a Quantum World, Scientific American, Juni 2011, side 20-25.

Hvad der går let, kommer let

Det, der ødelægger kvanteentanglement, kan også genoprette den

George Musser

Ville det ikke være rart at være en elektron? Så kunne også du drage fordel af kvantemekanikkens undere, som at være to steder på en gang – meget praktisk til at jonglere det moderne livs konkurrerende krav. Men desværre har fysikere længe ødelagt fantasien ved at sige, at kvantemekanik kun gælder for mikroskopiske ting.

Men det er en myte. I det moderne synspunkt, som har fået vind i sejlene i løbet af det seneste årti, ser man ikke kvantevirkninger i hverdagens liv, ikke fordi man er stor, i sig selv, men fordi disse virkninger er camouflerede gennem deres egen kompleksitet. De er der, hvis man ved, hvordan man skal se efter og fysikerne har erkendt, at de viser sig mere i den makroskopiske verden, end de troede. “Standard argumenterne er måske for pessimistiske, hvad angår kvantevirkningernes overlevelse,” siger Nobelprismodtageren Anthony Leggett fra University of Illinois.

I den mest sådanne distinkte virkning, kaldet entanglement, etablerer to elektroner en slags telepatisk kæde, der gennemtrænger rum og tid. Og ikke blot elektroner: du bevarer også en kvanteforbindelse med dine kære, som varer ved uanset hvor langt fra hinanden i måske er. Hvis det lyder håbløst romantisk er bagsiden, at partikler er uhelbredeligt utro, da de forbinder sig med enhver anden partikel, de møder. Så du bevarer også en kvanteforbindelse med enhver taber, der er stødt ind i dig på gaden og ethvert luftmolekyle som nogensinde har fejet din hud. De bindinger man ønsker overvældes af dem, man ikke ønsker. Entanglement forpurrer således entanglement, en proces kaldet dekohærens.

For at bevare entanglement til brug i, f.eks., kvantecomputere, bruger fysikerne alle taktikerne af en forælder, som prøver at kontrollere en teenagers kærlighedsliv, som at isolere partiklen fra dens miljø eller ledsage partiklen som en anstandsdame og gøre hver uønsket entanglement ugjort. Og de har typisk succes. Men hvis man ikke kan slå miljøet, hvorfor så ikke bruge det? “Miljøet kan opføre sig mere positivt,” siger fysikeren Vlatko Vedral fra National University of Singapore og University of Oxford.

En indfaldsvinkel er foreslået af Jianming Cai og Hans J. Briegel fra Institute for Quantum Optics and Quantum Information i Innsbruck, Østrig og Sandu Popeseu fra University of Bristol i England. Antag, at man har et V-formet molekyle, som man kan åbne og lukke som en tang. Når molekylet lukker bliver to elektroner på spidserne entangled. Hvis man blot holder dem der vil elektronerne med tiden dekohære efterhånden som partikler fra miljøet bombarderer dem og man har ingen måde at retablere entanglement på.

Svaret er at åbne molekylet op mod ens intuition og efterlade elektronerne endnu mere udsatte for miljøet. I denne position sætter dekohærensen elektronerne tilbage til en laveste energitilstand. Så kan man lukke molekylet igen og genetablere entanglement forfrisket. Hvis man åbner og lukker hurtigt nok er det som om entanglement aldrig blev brudt. Holdet kalder dette “dynamisk entanglement” i modsætning til den statiske slags, der varer så længe man kan isolere systemet fra bombardement.Til trods for oscillationen siger forskerne, at dynamisk entanglement kan gøre alt, hvad den statiske slags kan.

En anden indfaldsvinkel bruger en gruppe partikler, der opfører sig kollektivt som en. På grund af gruppens interne dynamik kan den have mangfoldige ligevægtstilstande, svarende til anderledes men sammenlignelige energi arrangementer. En kvantecomputer kan opbevare data i disse ligevægtstilstande snarere end i individuelle partikler. Denne indfaldsvinkel, som først blev foreslået for et årti siden af Alexei Kitaev, som da var på Landau Institute for theoretical Physics i Rusland, er kendt som passiv fejlretning, fordi den ikke kræver at fysikerne overvåger partiklerne aktivt. Hvis gruppen afviger fra ligevægt, gør miljøet arbejdet med at skubbe det tilbage. Kun når temperaturen er høj nok forstyrrer miljøet i stedet for at stabilisere gruppen. “Miljøet både tilføjer fejl såvel som fjerner dem,” siger Michal Horodecki fra University of Gdansk i Polen.

Trick’et er at sikre sig, at det fjerner hurtigere end det tilføjer . Horodecki, Héctor bombin fra Massachusetts Institute of Technology og deres kolleger anviste fornylig en sådan opstilling, men af geometriske grunde ville det kræve højere rumlige dimensioner. Adskillige andre nylige papirer erstatter det almindelige rum og hviler i stedet på højere geometri, hvor de træder systemet med kraftfelter for at hælde balancen mod fjerning af fejl. Men disse systemer er måske ikke i stand til at udføre generel beregning.

Dette arbejde antyder, at i modsætning til almindelig viden kan entanglement bestå i store, varme systemer – inmluderende levende organismer. “Dette åbner døren for den mulighed, at entanglement kunne spille en rolle i, eller være en resource for, biologiske systemer,” siger Mohan Sarovar fra University of California, Berkeley, som fornylig fandt, at entanglement måske hjælper fotosyntese [se “Chlorophyll Power, af Michael Moyer; Scientific American, September 2009], [Klorofyl kraft]. I det magnetisme følsomme molekyle, som trækfugle måske bruger som kompasser opdagede Vedral, Elisabeth Rieper, også på Singapore, og deres kolleger, at elektroner klarer at forblive entangled 10 til 100 gange længere end standardformlerne forudsiger. Så selv om vi ikke er elektroner kan levende ting alligevel drage fordel af deres vidunderlige kvantethed.

Fra Easy Go, Easy Come, Scientific American, November 2009, side 15-16.

Klorofyl kraft

Kvantedetaljer ved fotosyntese kunne give bedre solceller

Michael Moyer

Som naturens egne solceller omdanner planter sollys til energi via fotosyntese. Der dukker nye detaljer op om, hvordan processen er i stand til at udnytte kvantesystemers mærkelige opførsel, hvilket kunne føre til helt nye indfaldsvinkler til at indfange brugeligt lys fra solen.

Alle fotosyntetiske organismer bruger proteinbaserede “antenner” i deres celler til at fange indkommende lys, omdanne det til energi og dirigere den energi til reaktionscentre – kritiske udløsermolekyler der frigiver elektroner og får den kemiske omdannelse igang. Disse antenner skal opnå en vanskelig balance: de skal være brede nok til at absorbere så meget sollys som muligt men ikke vokse sig så store, at de forringer deres egen evne til at flytte energien videre til reaktionscentrene.

Det er her kvantemekanik bliver nyttig. Kvantesystemer kan eksistere i en overlejrng, eller blanding, af mange forskellige tilstande samtidigt. Hvad mere er kan disse tilstande interferere med hinanden – addere konstruktivt på nogle punkter og subtrahere på andre. Hvis energien, der går ind i antennerne, kunne brydes til en omfattende overlejring og fås til at interferere konstruktivt med sig selv, så kunne den transporteres til reaktionscentret med næsten 100% effektivitet.

Et nyt studium af Mohan Sarovar, kemiker på University of California, Berkeley, viser, at nogle antenner – nemlig de som findes på en bestemt type grønne fotosyntetiske bakterier – gør netop det. Desuden deler nærliggende antenner den indkommende energi mellem sig, hvilket fører ikke blot til blandede tilstande men til tilstande, der er entangled over en vid (i kvantetermer) afstand. Gregory Scholes, kemiker på University of Toronto, viser i et studium, som snart offentliggøres, at en art marinealge anvender et lignende trick. Det er interessant, at de uklare kvantetilstande i disse systemer er relativt langlivede, selvom de eksisterer ved stuetemperatur og i komplicerede biologiske systemer. I kvanteeksperimenter i fysiklaboratoriet vil den mindste indtrængen ødelægge en kvanteoverlejring (eller tilstand).

Disse studier markerer det første vidnesbyrd om biologiske organismer, der udnytter mærkelige kvanteadfærde. En bedre forståelse af dette skæringspunkt mellem mikrobiologi og kvanteinformation, siger forskerne, kunne føre til “biokvante” solceller, der er mere effektive end vore dages fotovolt teknik.

Fra Chlorophyll Power, News Scan, Scientific American, September 2009, side 10.

Indhold

100 års kvantemysterier

Index