expeditiondiscoverychannel.blogg.se -

Nobelpriset i fysik 2012: Kvantpartikelkontroll

Publicerad 2012-10-25 10:43:00 i Allmänt,

Två vetenskapsmän från helt olika kontinenter har i år vunnit Nobelpriset i fysik för att ha uppfunnit sätt att göra mätningar på svårfångade kvantpartiklar utan att påverka deras fragila kvantmekaniska beteende.

En utav de mest kända begreppen inom kvantfysik är ”Schrödingers katt”, ett tankeexperiment som innehåller en katt som är känd för att anses vara både levande och död. Tanke-experimentet uppfanns år 1935 av den tyske fysikern Erwin Schrodinger, dess syfte är att illustrera kvantvärldens bizarra beteende där en partikel kan finna sig i två olika tillstånd samtidigt, detta fenomen kallas Superposition. Superposition har visat sig vara nästan omöjligt att bevisa praktiskt då bara faktumet att en mätning på partikeln har skett har tvingat den att finna sig i enbart ett utav de potentiella tillstånden när detta sker kallas det för ”decoherence”. I år har Nobelstiftelsen uppmärksammat Serge Haroche från ”College de France” och David Wineland, från ”America’s National Institute of Standards and Technology”, två helt oberoende forskare för deras otroliga framsteg inom manipulation av kvantpartiklar.

Haroche till höger, Wineland till vänster.

Dessa två forskare har sedan 80-talet lett helt oberoende forskningsgrupper som har arbetat på experimentella metoder för att manipulera individuella partiklar utan att påverka deras kvantmekaniska egenskaper. Båda forskare har lyckats med liknande resultat men har använt väldigt olika metoder. Dr Haroche har med hjälp av supraledande speglar lyckats fånga enstaka fotoner genom att studsa dem fram och tillbaka mellan speglarna, med denna metod lyckades han fånga fotonen i en tiondels sekund vilket är tillräckligt mycket för att göra de mätningar som krävs.

Han lyckades göra mätningar på fotonen utan att fenomenet ”decoherence” skulle förekomma genom att skicka en ringformad atom genom platsen där fotonen var fångad så att de interagerade på ett sätt som kallas ”Quantum Entanglement”, detta fenomen skapar ett samband mellan de två involverade partiklarna så att genom en mätning av atomen kan information om foton hämtas utan att fotonens superposition skulle förstöras.

Till skillnad från Dr Haroche har Dr Wineland undersökt ett flertal partiklar samtidigt istället för att arbeta med dem individuellt. Dr Wineland har lyckats fånga beryllium joner i elektriska fält i ett extremt kallt vakuum, därefter har jonerna pulserats med laserljus. Laserljuset kyler ned dem ytterligare tills det att de har nått sin absolut lägsta energinivå när de når det stadiet tvingas de sedan in i en superposition mellan två olika energitillstånd. Anledningen till de låga temperaturerna är att resterande värme kan påverka partiklarnas delikata superposition. Precis som Dr Haroches experiment hölls de nedkylda jonerna i detta stadie tillräckligt länge för att mätningar ska ske.

De praktiska applikationerna av denna forskning är inte alls särskilt abstrakt och kan nog ses inom en relativt snar framtid. Redan nu har Dr Wineland med hjälp av hans metoder byggt världens mest exakta atomklocka. Atomklockan går ut på att två partiklar är trasslade med varann och precis som i Dr Haroches experiment görs mätningar på den ena för att sedan utvinna information om den andra. I klockans fall isoleras en utav partiklarna för att mäta tiden utan att påverkas av störningsmoment som kan orsaka ”decoherence” och den andra mäts för att läsa tiden.

Fysiker och tekniker hoppas att denna forskning kommer att ledsaga en ny era av kvantdatorer som skulle kunna revolutionera datoranvändande och kunna lösa många av problemen som nutida datorer har svårt med, som t.ex. att hitta primtalsfaktorer av nummer med över hundra siffror eller att söka genom databaser i otroliga hastigheter.

En vanlig dator behandlar information i form av ”bitar” som har värdet 1 respektive 0. Dessa bitars värde dikteras av olika strömnivåer i datorn. Arbetet som Dr Haroche och Dr Wineland har gjort skulle göra det möjligt att använda andra egenskaper hos partiklar för att avgöra vilket värde varje bit skulle ha som joners energinivåer för att skapa den kvantmekaniska motsvarigheten till en ”bit”, en ”qubit”. Fenomenet ”Quantum Entanglement” som var det som skedde när två partiklar blir trasslade med varann skulle kunna impliceras i en kvantdator och tillåta att fler ”qubitar” skulle kunna användas. Varje extra ”qubit” dubblerar då antalet simultana aktiviter som kan ske i maskinen. Så att om 2 trasslade qubitar tillåter 4 aktiviteter skulle 3 tillåta 8 aktiviteter osv..