Debatt ● Ni forskningsledere
2025: Kvantefysikkens år
Det knyttes for tiden store forventninger til nye kvanteteknologiske gjennombrudd. I år setter FN spesielt søkelys på kvantefysikkens revolusjonerende bidrag. Men hva er denne mystiske vitenskapen?
Denne teksten er et debattinnlegg. Innholdet i teksten uttrykker forfatterens egen mening.
I år setter FN spesielt søkelys på kvantefysikkens revolusjonerende bidrag til menneskelig erkjennelse og ny teknologi. Oppdagelsen av kvantemekanikk var et helt nødvendig startskudd på det som skulle forme vår moderne verden og de anvendelser vi i dag bruker som selvfølgeligheter, for eksempel når man sender en snap på mobiltelefonen eller når man bruker laserlys.
Men hva er egentlig en «kvant» (eller et «kvantum»)?
Dette referer som oftest til et diskret sett med tilstander som et system kan befinne seg i. Dette tilsynelatende enkle grepet har dyptgripende konsekvenser som ofte står i kontrast til en såkalt klassisk forståelse av verden.
I motsetning til klassisk biljard kan kvantebiljard resultere i alle mulige utfall, inkludert muligheten for at alle kulene treffer hullene. Teorien forutsier bare sannsynligheten til hvert enkelt utfall. I kvanteversjonen er en biljardkule ikke lenger et deterministisk objekt, men er beskrevet av en kvantetilstand (eller bølgefunksjon).
I biljard oppfører også alle kulene seg uavhengig av hverandre. Men i kvantebiljard er alle kulene beskrevet av en felles bølgefunksjon som kan lede til sterke korrelasjoner mellom kulene. Dersom kulene er fullstendig sammenfiltret og vi måler tilstanden (for eksempel i hvilken retning kulen spinner) av en av kvantekulene, kan vi samtidig finne tilstanden til alle de andre.
Einstein refererte til dette som «spooky action at a distance», men slike effekter måles i dag på laboratorier verden over.
Kvantefysikkens historie starter på mange vis for 125 år siden, da Max Planck klarte å beskrive frekvensfordelingskurven av lyset fra solen og andre stjerner som en sum over kvantiserte energitilstander av lys. De neste 25 årene foregikk det en intens jakt på en formell teori og i 1925 lyktes det Werner Heisenberg, i samarbeid med kollegene Pascal Jordan og Max Born, å publisere det første arbeidet om kvantemekanikk. Et halvt år senere fulgte Erwin Schrödinger opp med å introdusere den kvantemekaniske bølgefunksjonen.
Sammen med Newtons lover (gitt ut i 1647) og elektromagnetismen (formulert i 1873) har vel ingen teori fått så stor betydning for vår erkjennelse og forståelse av naturen.
Kvantemekanikken danner bakteppet for det vi vet om elementærpartikler, atomer og molekyler. Dessuten kan vi i dag se tilbake på et stort mangfold av andre konsekvenser og anvendelser: mobiltelefoner, internett, datamaskiner, måleinstrumenter, avanserte mikroskop og medisinsk apparatur er alle blitt til basert på den nye forståelsen som kvantemekanikken gav.
Manipulasjonen av såkalte kvantebiter (qubits) har lagt grunnlaget for nye paradigmer innen datateknologi og målevitenskap, og kan bidra til mer effektiv kommunikasjon, algoritmer med en brøkdel mindre energibruk og sikker kryptering av viktig informasjon. Samtidig er kvantemekanikkens grunnlagsproblemer fremdeles et aktivt forskningsområde.
Det norske avtrykket i kvantemekanikken og dens utvikling er beskjedent, men noen viktige bidrag bør nevnes. Egil Hyllerås den første som lykkes i å vise at den nye fysikken fungerte på fler-elektron atomer og molekyler. Rundt 1930 ble hans metode til å finne energitilstanden i heliumatomet den første indikasjon på at kvantemekanikken fungerte godt.
Et annet viktig navn er Ivar Giæver, født i Bergen og utdannet maskiningeniør fra NTH, som i 1973 fikk Nobelprisen i fysikk for forskning på elektrontunnelering i halvledere. På slutten av 1970-tallet postulerte Jon Magne Leinaas og Jan Myrheim at det må finnes en ny type «partikler» som senere ble kalt «anyoner» og som kan spille en viktig rolle i fremtidens kvantedatamaskiner.
Det knyttes for tiden store forventninger til nye gjennombrudd og kvanteteknologi regnes som viktig for global økonomi. I 2018 lanserte EU en satsing på 1000 milliarder euro over ti år, den største satsingen på verdensbasis for øyeblikket.
Det er blitt påpekt at satsing på kvanteteknologi krever en svært sammensatt og høyt kvalifisert arbeidsstyrke som er tett på både grunnforskning og interdisiplinære anvendelser. Spesielt er utviklingen av kvantesensorer, med store bruksområder innen biologi og ingeniørvitenskap, og innen kryptografi kommet veldig langt.
Det jobbes også med å realisere kvantedatamaskiner som kan utføre beregninger på en helt ny måte — beregninger som gjør oss i stand til å løse viktige problemer hvor vanlige datamaskiner kommer til kort.
Disse områdene er noe våre forskningsmiljøer allerede bidrar aktivt til, og der ytterligere stimulering til samarbeid og utvikling kan lede til viktige fremskritt.
Feiringen av kvantefysikkens jubileum i 2025 gir oss muligheten til å undres over naturens fascinerende mikroskopiske egenskaper, og setter søkelys på hvordan vi kan utnytte disse for gode formål i samfunnet. Den 14. april, som i år falt på en mandag i påskeferien, er utpekt som verdens kvantedag, etter Plancks konstant som ble brukt for å forstå sollyset.
Vi ønsker alle et vellykket og engasjerende jubileumsår!
Innlegget er skrevet av:
Konrad Tywoniuk (UiB)
Jan Petter Hansen (UiB)
Martin Møller Greve (UiB)
Morten Førre (UiB)
Franz Fuchs (SINTEF)
Morten Hjorth-Jensen (UiO)
Sølve Selstø (OsloMet)
Asle Sudbø (NTNU)
Susanne Viefers (UiO)
