Kvantvärlden – på skalan av atomer och nedåt – är paradoxal och bisarr. Partiklar verkar samtidigt vara både här och där eller mystiskt sammanflätade på avstånd. Kvantteknologi handlar om att utnyttja dessa underliga fenomen för att skapa helt ny teknik med exceptionella möjligheter.
Kvantmekaniken utvecklades i början av 1900-talet för att beskriva naturen i minsta skala. Den förutspår att världen på den mest djupgående och grundläggande nivån är slumpmässig och osäker. Denna idé provocerade fram intensiva filosofiska debatter och kontroverser i den tidiga utvecklingen av teorin. Debatterna ledde också till många olika tolkningar som motsade vår tidigare förståelse av världen. Många forskare trodde att den underliggande verkligheten måste vara deterministisk. Det ihärdiga ifrågasättandet av teorin ledde till upptäckter av ytterligare aspekter av kvantmekaniken, såsom sammanflätning.
Kvantmekaniken förutspår verkligen en häpnadsväckande värld, som på många sätt motsäger våra vardagliga upplevelser. Men teorin har testats rigoröst på många olika sätt, och experiment efter experiment har bekräftat att naturen fungerar precis på det sätt som kvantmekaniken beskriver.
Från teori till revolution
På 1930-talet var den matematiska formuleringen av kvantmekaniken i stort sett komplett, även om många av dess konsekvenser fortsatt var oförklarade. Den nya förståelsen av kvantegenskaper hos ljus och material ledde till att lasern och transistorn uppfanns – uppfinningar som ligger till grund för dagens informationsteknologi: Datorer, internet och smartphones har drastiskt förändrat våra liv. Idag hänvisar vi till detta som den första kvantrevolutionen. Det ansågs dock länge som omöjligt att kontrollera enskilda kvantsystem som enstaka atomer, elektroner eller ljuspartiklar (fotoner).
Men på 1980-talet lyckades forskare utveckla metoder för att mäta och kontrollera enskilda atomer och fotoner, arbete som gav David Wineland och Serge Haroche Nobelpriset i fysik 2012. Parallellt utvecklade andra forskare elektriska komponenter där de kunde manipulera enskilda elektroner.
Professor Per Delsing, föreståndare för Wallenberg Centre for Quantum Technology, ser hur förmågan att utnyttja egenskaperna hos individuella kvantsystem öppnar dörren till helt ny teknik: ”Det handlar inte om gradvisa förbättringar utan snarare om en helt förändrad spelplan – en andra kvantrevolution.”
Forskare, beslutsfattare och industriledare över hela världen ser den nya revolutionen komma. EU, USA, Storbritannien, Japan, Kina, Australien och Ryssland spenderar alla pengar på miljardnivå för att öka forskningen inom kvantteknologi. Många företag gör också stora ansträngningar och lägger mycket pengar på kvantteknik.
Kvantteknologins centrala fenomen
De extraordinära egenskaperna hos den framväxande kvantteknologin – det vill säga kvantdatorer som är vida överlägsna dagens superdatorer, avlyssningssäker kommunikation och hyperkänsliga mätinstrument – är alla baserade på kvantmekanikens icke-intuitiva fenomen. De viktigaste är:
Superposition
Om en elektron kunde åka skidor skulle det vara helt normalt för den att åka med skidorna på varsin sida om ett träd. I kvantmekanikens värld är det fullt möjligt för partiklar att vara på flera olika ställen samtidigt, eller att till exempel samtidigt befinna sig i tillstånd som har olika energi eller olika polarisering. Ett berömt exempel är Schrödingers katt som är både levande och död på samma gång (i ett tankeexperiment, förvisso). Dessa tvetydiga tillstånd kallas superpositioner och möjliggör exempelvis den massiva parallella beräkningskraften i kvantdatorer.
Sammanflätning
Superpositioner kan sträcka sig mellan flera partiklar, och en speciell typ kallas sammanflätning. En manipulation av en partikel påverkar dess sammanflätade partner omedelbart – även om de befinner sig väldigt långt ifrån varandra och utan att någon information överförs.
Einstein kallade det skeptiskt för ”spöklik avståndsverkan”, men experiment har bevisat att sammanflätning existerar. Och medan forskare fortfarande diskuterar vad sammanflätning egentligen betyder, står det klart att det kommer att spela en nyckelroll i framtida system för avlyssningssäker kvantkommunikation.
Klämda tillstånd
Inom kvantfysiken finns det en gräns för hur exakt du samtidigt kan känna till kopplade (konjugerade) variabler, såsom frekvens och tid, för ett objekt. Osäkerheten fördelas ofta lika på de två kopplade variablerna. Men genom att manipulera objektets kvanttillstånd så att det hamnar i ett så kallat klämt tillstånd kan man få osäkerheten att främst påverka den ena variabeln. Då går den andra variabeln att mäta mer noggrant.
Den stora utmaningen
En klassisk analogi till kvantvärldens superposition är ett mynt som snurrar på högkant. Så länge myntet snurrar är det i en kombination av krona och klave. Men så småningom kommer myntet att ge efter för omgivningens krafter och falla på antingen den ena eller andra sidan.
Detsamma gäller för superpositionstillstånd, men de är mycket känsligare än snurrande mynt. Även de minsta störningar gör att superpositionen minskar och slutligen kollapsar. Denna process kallas dekoherens och är en av de största utmaningarna inom kvantteknologin. Varför? Därför att det finns en inneboende motsättning mellan att isolera ett kvantsystem för att undvika dekoherens och behovet att kunna manipulera det.
Kvantteknologins fyra områden
I Europa delas kvantteknologi ofta in i fyra huvudområden: kvantdatorer, kvantsimulering, kvantkommunikation och kvantsensorer. Läs mer på deras respektive webbsida:
Kvantdatorer
Kvantsimulering
Kvantkommunikation
Kvantsensorer
Bilder:
Chalmers och iStock by Getty Images