Kvantedatamaskiner som får deg til å tvile på virkeligheten

La meg fortelle deg om noe som får deg til å lure på om alt du trodde du visste om verden, rett og slett ikke stemmer.

Tenk deg dette: Du går nedover en gate, og foran deg står det en diger mur. Du går rundt den, langt unna muren. Men likevel — på en eller annen måte — dytter muren på deg.

Sånn fungerer ikke ting i hverdagen vår. Men i kvanteverdenen? Der skjer det helt sinnsyke greier.

Det spøkelsesaktige som stopper deg

Forskere ved University of Oxford har nettopp gjort noe ganske spesielt. De bygde en kvantedatamaskin som kan simulere hva som skjer når en bitte liten partikkel blir stoppet helt av et magnetfelt den aldri rørte.

Ja, du leste rett. Partikkelen tok en bane som aldri førte den i nærheten av magnetfeltet, men likevel — boom — oppførselen endret seg dramatisk.

Dette fenomenet kalles Aharonov-Bohm-effekten, og det har fascinert fysikere helt siden 1959.

Det spesielle? I vår vanlige verden må du faktisk berøre noe for å dytte på det. I alle fall være i nærheten. Men kvantefysikk spiller etter andre regler. En ladet partikkel kan bli påvirket av magnetisk "fluks" — tenk på det som usynlig magnetisk energi — selv om den beveger seg i et område der det ikke finnes noe magnetfelt i det hele tatt.

Hvordan klarte de det?

Forskerteamet ved Oxford laget det de kaller et hybridt kvantesystem. Tenk på det som en liten kvantelekeplass med to hovedkomponenter som jobber sammen.

For det første: De brukte qubits — de grunnleggende enhetene for kvanteinformasjon. Likt som vanlige datamaskiner bruker bits, bare langt mer ustabile og interessante. Disse qubitene ble kodet i fangede ioner. Det er atomer med elektrisk ladning, holdt på plass av elektromagnetiske felt.

For det andre: De la til kvanteoscillatorer, som kommer fra vibrasjonene til de samme fangede ionene. Disse representerer bevegelse.

Ved å kombinere qubits med oscillatorer, laget de en enkel løkke. Denne fungerer som en grunnleggende byggestein for noe som kalles lattice gauge-teori. Uten å gå for dypt inn i matematikken: Disse teoriene hjelper fysikere å forstå hvordan materie samhandler med universets grunnleggende krefter — electromagnetisme, den sterke kraften, og den svake kraften.

Den virkelige magien: Kvantesammenfiltring

Her blir det skikkelig interessant. Forskerne satte qubitene inn i noe som kalles en sammenfiltret tilstand.

Har du hørt om kvantesammenfiltring før? Da har du sikkert møtt det før: det merkelige "tilkoblede" fenomenet som Einstein kalte "spøkelsesaktig handling på avstand."

I dette tilfellet ble sammenfiltringen en erstatning for magnetisk fluks som passerte gjennom den simulerte løkken. Partikkelen ble påvirket av noe den verken kunne se eller berøre — bare på grunn av hvordan kvantesystemet var koblet sammen.

Hvorfor skal du bry deg?

Godt spørsmål! Her er greia: Å simulere disse grunnleggende kvantevekselvirkningene med vanlige datamaskiner er vanskelig. Riktig vanskelig. Matematikken blir så komplisert at selv superdatamaskiner får problemer.

Men kvantedatamaskiner tilbyr en annen tilnærming. I stedet for å prøve å regne ut alt steg for steg, kan forskere bygge et kvantesystem som følger de samme reglene — og bare se hva som skjer.

Det er som om du i stedet for å løse en labyrint på papir, faktisk bygger labyrinten og slipper inn en liten robot for å utforske den.

Denne forskningen viser at hybrid-kvantesystemer som det som ble bygget ved Oxford, kan hjelpe oss å undersøke vekselvirkninger som blir stadig vanskeligere å studere på andre måter.

Det betyr noe fordi å forstå disse grunnleggende vekselvirkningene til slutt kan hjelpe oss med å bygge bedre kvantedatamaskiner, forstå universets minste byggestener, eller kanskje — kanskje — oppdage helt ny fysikk vi ennå ikke har forestilt oss.

Konklusjonen

Jeg skal ikke late som om dette er lett å forstå. Jeg har lest om kvantefysikk i år etter år, og det får fortsatt hjernen min til å jobbe på måter den ikke ble designet for.

Men det som gjør meg virkelig begeistret? Vi lever i en tid der spådommer fra fysikere for mange tiår siden nå endelig blir testet i virkelige laboratorier. Da Einstein drømte opp sine "spøkelsesaktige" ideer, hadde han aldri forestilt seg at vi en dag ville bygge maskiner for å utforske dem.

Neste gang noen sier at fysikk er kjedelig eller irrelevant — husk dette: Et sted der ute blir partikler dyttet rundt av usynlige krefter de aldri rørte.

Og ærlig talt? Det er ganske kult.