Artikel trykt i Information 11.6, p.6

Øvrige publicerede artikler.

Kvantefysikken var en af sidste århundredes helt store videnskabelige bedrifter men mange fænomener er stadig gådefulde. Ifølge Niels Bohr har man ikke forstået noget som helst, hvis man ikke bliver lidt svimmel af kvantefysik.
FYSIK
Af MORTEN KRINGELBACH

Science fiction har i mange år leget med tanken om teleportation. Det ene øjeblik er et objekt eet sted og det næste øjeblik har det flyttet sig til en anden galakse. Replikken "beam me up, Scotty" fra Star Trek står for mange mennesker som indbegrebet af teleportation. Hvorfor tage trappen eller elevatoren, når man bare kunne tage teleporteren?
Indtil for ganske nyligt hørte teleportation kun til på science fiction litteraturens overdrev, men så blev teleportation af laserlys udført ved Caltech i USA i samarbejde med fysikere fra Center for kvanteoptik ved Aarhus universitet.
Fysikken bag forsøget kaldes kvanteoptik og er et nyt forskningsfelt der har udviklet sig hastigt gennem de sidste 10-15 år. Denne spændende grundforskning tager udgangspunkt i fundamentale spørgsmål vedrørende kvantefysikkens fortolkning, som blev rejst i berømte diskussioner mellem Albert Einstein og Niels Bohr, som stædigt holdt fast i sin Københavner-fortolkning. Forskningsforsøgene kræver ikke store, vanvittigt dyre partikelreaktorer, men bruger laserlys og lader sig nærmest udføre på forskernes skriveborde.
På Center for kvanteoptik ved Aarhus universitet som ledes af professor Eugene Polzik er en række fysikere i fuld gang med at udnytte laserlys til foruden kvanteteleportationssystemer at lave prototyper på kvantecomputere, kvantekrypteringsapparater, og ultrafølsomme måleapparater baseret på kvanteteori. Der er tæt samarbejde til en række udenlandske forskergrupper i blandt andet USA.
Centeret består af tre undergrupper som har komplementære indgang til kvanteoptikken. Kvanteoptiklaboratoriet ledes af centerleder Eugene Polzik og udvikler blandt andet lyskilder og atomare kvantehukommelsesenheder med præcisionsegenskaber, som ikke findes på verdensmarkedet, foruden ultra-kolde atomare gasser i laboratoriet der styres og detekteres ved hjælp af lys.
Ionfældelaboratoriet ledes af forskningslektor Michael Drewsen og forsker i hvordan atomare ioner fanges i elektromagnetiske fælder, hvori ionerne køles i små eller store krystalstrukturer ved anvendelse af laserlys. Disse krystaller gør det muligt at styre og iagttage ionerne i stor detalje, og kan i fremtiden blive benyttet som elementer i en kvantecomputer.
Teorigruppen ledes af professor Klaus Mølmer og beskæftiger sig med den teoretiske beskrivelse af de ovenfor nævnte kvantemekaniske systemer og med teoretiske forslag til eksperimenter foruden teknologiske anvendelser af kvanteeffekter.
Det er samarbejdet mellem disse grupper der har muliggjort de fremskridt som gruppen har været del af.

Lysets teleportation
Teleportation af laserlys fra et sted til andet er en idé som Charles Bennett og kollegaer fik i starten af 1990erne. Det er denne idé der for nylig blev en realitet ved et kompliceret eksperiment.
Princippet i flytning af et objekt fra et sted til et andet kunne være at man målte på objektet og siden genskabte det andetsteds, men det kan ikke lade sig gøre i kvantefysik, der foregår på naturens mindste niveau, det såkaldte kvanteniveau. På denne skala hersker Heisenbergs usikkerhedsrelation således at der er grænser for hvor meget man kan vide med sikkerhed. Man kan ikke både kende en partikels position og hastighed. Det betyder at man ikke kan måle på en laserstråle og siden lave en eksakt kopi, da selve måleprocessen forstyrrer det objekt der skal kopieres.
Hvis man derfor vil teleportere en laserstråle fra et sted til et andet, må man på en eller anden smart måde omgå denne begrænsning og det var præcist hvad Bennett foreslog. Ved at blande den oprindelige laserstråle med en meget støjfuld laserstråle får man nu mulighed for at måle på dette støjsignal, som man nu kan sende digitalt til et andet sted hvor signalet genskabes. Tricket er nu at den støjfyldte laserstråle har en tvilling der ligner den på en prik bortset fra at den er anti-korreleret, hvilket vil sige at de to laserstråler lige præcist ophæver hinanden når de mødes. Man bruger så denne anti-korrelerede tvilling når man genskaber signalet et andet sted, hvilket på næsten magisk vis fjerner støjen og den oprindelige laserstråle bliver tilbage.
Idéen er dermed såre simpel, men temmelig kompliceret at udføre i praksis (og stadig umulig for objekter større end kvanter) og det var derfor en triumf da forsøget lykkedes. Eksperimentet blev således udnævnt af Science som en af de ti vigtigste videnskabelige bedrifter i 1998. Forskerne i Aarhus arbejder nu videre med at forsøge at teleportere atomer og er nået ganske langt.

Teleporterede kvantecomputere
Teleportation af laserlys og atomer kan også bruges i andre sammenhænge for eksempel i forbindelse med den såkaldte kvantecomputer. Vores nuværende computere er lavet af halvleder chips der er opbygget efter Von Neumanns serielle arkitektur, og selvom delkomponenterne i chipsene bliver stadigt mindre og chippens clockfrekvens hurtigere, så er der grænser for hvor hurtige denne type computere kan blive.
Derfor har man store forhåbninger til kvantecomputeren som i teorien er massivt parallel og som derfor kan løse problemer som vores nuværende serielle computere ikke har en chance for at løse. Der henstår dog en lang række meget svære tekniske problemer før den første praktiske kvantecomputer kan bygges.
Blandt andet hersker Heisenbergs usikker-hedsrelation stadig og det er derfor stadig et problem at transportere gemt information så kvantecomputeren kan regne på det, da måling vil ødelægge den information man prøver at flytte. Man kan derfor med fordel bruge tricket med teleportation beskrevet ovenfor til at flytte informationen i kvantecomputeren.
Center for kvanteoptik arbejder med en række andre projekter som også udnytter laserlysets egenskaber. Kvantekryptering afsender een foton som krypteringsnøgler. En foton er den mindste enhed ved laserlys og princippet udnytter Heisenbergs usikkerhedsrelation således at hvis der er nogen der opfanger fotonen undervejs og forsøger at måle på den vil det ødelægge informationen. Det er dog ikke nogen nem sag at afsende laserlys over lange afstande og der er derfor en række praktiske problemer som for eksempel kvaliteten af lyslederkabler der skal overvindes før projektet kan få praktisk anvendelse.
Disse spændende kvantefysiske forsøg peger fremad mod et nyt århundrede hvor forrige århundredes berømte Københavner-fortolkning for kvantefysik måske bliver teleporteret til Aarhus.

Center for kvanteoptik
EUGENE POLZIK, ph.d., er professor i atomar, molekylær og optisk fysik ved Aarhus Universitet. Han er 47 år, og har publiceret over 50 artikler i internationale tidsskrifter. Hans primære forskningsinteresser er kvantemekaniske fænomener som laserlys, atomare kvantehukommelsesenheder og ultra-kolde atomare gasser i laboratoriet styret og detekteret ved hjælp af laserlys.

Udvalgt videre læsning:
Kuzmich A. & Polzik E. S. (2000) Atomic quantum state teleportation and swapping., Phys. Rev. Lett. 85, 5639.
Furusawa A., Sørensen J. L., Braunstein S. L., Fuchs C. A., Kimble H. J., & Polzik E. S. (1998) Unconditional quantum teleportation. Science. 282:706, October 23.
Hald J., Sørensen J. L., Schori C. & Polzik E. S. (1999) Spin squeezed atoms: a macroscopic entangled ensemble created by light. Phys. Rev. Lett. 83:1319.