Kvantemekanik. Klaus Molmer

tion>

      

      Klaus Mølmer

      Kvantemekanik

      Atomernes vilde verden

      KAPITEL 1

      SPLITTEDE SKÆBNER OG KVANTECOMPUTERE

      Den eneste fejl ved at vandre en tur

      Er, at vejene altid forgrenes,

      Og alle de skæbner, som ligger på lur,

      Umuligt vil kunne forenes.

      Så går man en tur, bør man splittes i to,

      Så ofte Ens vejbane kløftes – og senere mødes et sted, hvor i ro,

      Ens splittede skæbner kan drøftes.

      PIET HEIN

      I kvantemekanikkens mikroskopiske verden er Piet Heins vision i det citerede Gruk ikke bare en underfundig tanke. Kvanteteoriens mest markante brud med den klassiske fysik er, at den tillægger partikler muligheden for at være flere steder på samme tid. Man ser således i fysik- og kemieksperimenter, at elektroner og atomer “har følerne ude” på en måde, som ikke kan forklares, hvis de er begrænsede til at bevæge sig ad enkelte veje som i den klassiske fysik. Piet Heins “drøftelser” finder ikke sted i atomernes verden, men vi kan i eksperimenter og mere indirekte i stoffers makroskopiske opførsel se konsekvenserne af de atomare partiklers “splittede skæbner”.

      Selvom mikroskopiske partikler opfører sig meget specielt, skal man ikke forvente, at vi kan lure dem kunsten af og selv begynde at være flere steder på samme tid, men forskning i de seneste år har forsøgt at udnytte den mikroskopiske verdens “splittede skæbner” i revolutionerende nye design for computere, hvor man koder tal i mikroskopiske partiklers bevægelse. Når en og samme partikel kan være flere steder på samme tid, får det computeren til at regne på flere tal på samme tid, og det sker vel at mærke under udnyttelse af resurser, som normalt kun ville have kunnet håndtere et enkelt tal ad gangen. Perspektiverne for en sådan kvantecomputer er så lovende, at der arbejdes intenst og investeres store beløb i udviklingen af teknikker, der skal gøre det muligt for os at indlæse tal i enkelte atomer og manipulere atomerne, så de fysiske data omdannes fra input til output – fra en opgaves formulering til dens besvarelse.

      Det var et stort skridt på vejen i denne forskning, da regnestykket 15 = 3·5 blev løst ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA i 2002. Det var naturligvis ikke regnestykkets resultat, der var epokegørende, men måden, hvorved det var opnået: Når man får udleveret et tal som 15 og bliver bedt om at skrive det som et produkt af to tal, er det naturligt at prøve sig frem: Man undersøger for eksempel, om 2 går op i 15, og derefter om 3 går op i 15, og her viser opgaven sig allerede at være løst. Havde vi i stedet ledt efter to tal, der ganget sammen giver 1961, skulle man være meget heldig for allerede i første eller andet forsøg at finde ud af, at 37 går op i 1961. Forskningsgruppen ved MIT fandt, at 15 = 3·5, ved at kode forskellige samtidige talværdier i atomkernerne i en kemisk forbindelse og udnytte kvantefysikkens “splittede skæbner” til at tjekke alle kandidater på samme tid. For et tal med nogle hundrede cifre ville antallet af mulige faktorer være ufatteligt meget større, og alverdens supercomputere ville ikke kunne klare opgaven og finde den rette løsning, om de så fik en milliard år til opgaven. En kvantecomputer med samme regnehastighed som en enkelt moderne pc ville, hvis den fandtes, kunne bruge den samme teknik, MIT-gruppen benyttede sig af, og finde en løsning på få minutter. Der er en helt speciel grund til, at det at finde tal, der går op i store tal, har kunnet stimulere interessen for og trække massive investeringer til forskningen i kvantecomputing, og den har at gøre med national sikkerhed, økonomisk kriminalitet og lyssky emner, som kan fylde en hel stribe spændingsromaner.

      Herodot fortæller om Histiaeus, der i det 6. århundrede før vor tidsregning skulle sende sin søn en fortrolig besked og tatoverede den i hovedbunden på en kronraget slave. Efter at håret var groet ud og skjulte beskeden for selv en omhyggelig kropsvisitation, sendte han slaven af sted. I vores moderne tidsalder med telefon og internet er det ikke en hensigtsmæssig måde at sende hemmelige beskeder på, og der er da også udviklet matematiske metoder, så selv folk, der ikke har aftalt en kode i forvejen, kan kommunikere sikkert. En populær metode til at etablere en kode mellem to personer, der ikke i forvejen har været i kontakt med hinanden, hedder PGP-kryptering og er baseret på, at den, der skal modtage den hemmelige besked, offentliggør et langt kodeord (for eksempel på sin hjemmeside) baseret på produktet af to store tal. En person, der vil sende en hemmelig besked, kan nu tilsløre sin besked ved at “blande” dens indhold med det lange kodeord efter en matematisk forskrift, så den oprindelige besked kun kan uddrages igen ved hjælp af en tilhørende forskrift, der kræver kendskab til faktorerne i det store tal. Den legitime modtager har netop selv ganget disse faktorer sammen for at lave det offentligt tilgængelige kodeord og er derfor i stand til at afkode beskeden. Det samme er hvem som helst, der kan finde faktorerne i det store tal, men det er som sagt meget svært – medmindre man har en kvantecomputer. Blandt andet derfor er der stor bevågenhed om dette forskningsemne!

      Der er både “gode” og “onde” grunde til at holde på egne hemmeligheder og til at prøve på at afsløre andres hemmeligheder. Hemmelighedskræmmeri er et naturligt forretningsområde for banker, virksomheder og stater, der ikke ønsker at dele deres planer og strategier med konkurrenter eller fjender. Samtidig har politi og efterretningstjenester, for at beskytte borgerne og samfundet bedst muligt, en interesse i at aflytte kommunikation og afsløre hemmeligheder hos mistænkelige personer og lyssky organisationer, der måske planlægger kriminelle handlinger. I Danmark er det tilladt private at benytte kryptering, mens det for eksempel i Frankrig kun er tilladt at benytte særligt godkendte kodningssystemer, som myndighederne kan bryde.

      Forfatteren til denne bog var i 2004 til en konference i Arizona i USA, sponsoreret af det amerikanske National Security Agency (NSA)¹, og ved et sammentræf faldt konferencen sammen med søsætningen af USA’s nyeste atomdrevne ubåd, USS Jimmy Carter. En avis opregnede ubådens slagstyrke, men tophistorien var, at ubåden kan aflytte telefonsamtaler og internettrafik, som sendes gennem undersøiske optiske fibre. Det skulle den kunne gøre ved at frigøre et undervandsmodul, som kan grave kablerne fri af havbunden og trænge igennem beskyttelseskappen og ind til den optiske fiber uden at beskadige den. Herefter kan den stjæle en del af det optiske signal. Hvis den opsnappede besked er krypteret, er der imidlertid behov for en enorm regnekraft for at knække koden, og netop derfor har NSA været interesseret i udviklingen af den kvantemekaniske computer. Og fordi vi ikke kan leve med, at den amerikanske efterretningstjeneste alene har mulighed for at aflytte hele verdens kommunikation, og at et enkelt lands industri får et kæmpe forspring inden for en meget lovende teknologi, er forskere i Danmark og i det øvrige Europa godt med i konkurrencen om at få de bedste ideer.

      Den gamle fysiks sammenbrud

      Den teoretiske fysik beskæftiger sig ikke kun med bestemte fysiske systemer eller bestemte processer, men forsøger i et samspil mellem observationer, eksperimenter, teoretiske og matematiske regninger at etablere en fælles konsistent forståelsesramme for alle de fænomener, vi kan iagttage i vores fysiske virkelighed. Indtil slutningen af det 19. århundrede var den klassiske mekanik hjørnestenen i denne forståelsesramme. For godt et århundrede siden blev det imidlertid klart, at der var fænomener, som ikke kunne forklares tilfredsstillende med den kendte fysik. Den klassiske mekanik blev ikke forkastet med et slag, men en række nødvendige små ændringer greb om sig, og i løbet af få år blev det klart, at den klassiske mekanik ikke blot er ufuldstændig, men at den ligefrem er ugyldig ved beskrivelsen af mikroskopiske systemer og fænomener, der involverer bevægelse ved meget høje hastigheder. De teorier, der i stedet måtte tages i brug, er kvantemekanikken og relativitetsteorien.

      Kvantemekanikken og relativitetsteorien opstod i begyndelsen af 1900-tallet, og begge teorier er gennem hele det 20. århundrede blevet anvendt med stor succes på mange områder af fysikken. Kvantemekanikken og relativitetsteorien er ligesom den klassiske mekanik komplette teoretiske forståelsesrammer, i den forstand at de ikke er begrænsede til at beskrive en bestemt type problemer eller processer, men at de giver grundlaget for forståelsen af alle fysiske processer. De