När partiklar rörs av osynliga krafter

Låt mig berätta om något som får dig att ifrågasätta allt du tror dig veta om hur världen fungerar.

Tänk dig att du går på en gata, och framför dig finns en stor mur. Du går runt den, håller dig på behörigt avstånd. Men på något sätt trycker muren på dig ändå. Så fungerar det inte i vår vanliga värld — men i kvantvärlden? Där händer det fullständigt galna saker.

Den spöklika beröringen som stoppar dig

Forskare vid University of Oxford har precis gjort något riktigt fascinerande. De byggde en kvantdator som kan simulera vad som händer när en liten partikel hejdas helt av ett magnetfält den aldrig ens nuddat. Ja, du läste rätt. Partikelns bana förde den nowhere nära magnetfältet, och ändå — pow — dess beteende förändrades dramatiskt.

Det här fenomenet kallas för Aharonov-Bohm-effekten, och den har fått fysiker att spärra upp ögonen sedan 1959.

Det konstiga är det här: I vår normala värld måste du röra vid något för att putta på det, eller åtminstone befinna dig i närheten. Men kvantfysiken? Den har helt andra regler. En laddad partikel kan påverkas av magnetiskt "flöde" — tänk dig osynlig magnetisk energi — även om den färdas genom ett område där det inte finns något magnetfält alls.

Hur bar de sig åt?

Oxfordequippen skapade vad de kallar ett hybridkvantsystem. Det är som att bygga en liten lekplats för kvantfysik med två huvudkomponenter som jobbar tillsammans.

Först använde de qubits — de grundläggande enheterna för kvantinformation, ungefär som vanliga datorer använder bitar, men mycket mer ostabila och intressanta. De kodade dessa qubits i fångade joner, alltså atomer med en elektrisk laddning som hålls på plats av elektromagnetiska fält.

Sedan lade de till kvantoscillatorer, som kommer från vibrationerna hos dessa samma fångade joner. Dessa representerar rörelse.

Genom att kombinera qubits med oscillatorer skapade de en enkel loop som fungerar som en grundläggande byggsten för något som kallas gitterggeteori. Utan att gräva ner oss i matten hjälper dessa teorier fysiker att förstå hur materia interagerar med universums fundamentala krafter — saker som elektromagnetism, den starka kraften och den svaga kraften.

Den verkliga magin: Kvantsammanflätning

Här blir det riktigt spännande. Forskarna placerade sina qubits i ett sammanflätat tillstånd. Om du har hört talas om kvantsammanflätning förut känner du förmodligen till det där kusliga "sammankopplade" fenomenet som Einstein kallade "spöklik verkan på avstånd."

I det här fallet blev sammanflätningen en ersättare för magnetiskt flöde som passerade genom deras simulerade loop. Partikeln påverkades av något den varken kunde se eller röra vid — bara på grund av hur det kvantmekaniska systemet var kopplat.

Varför bör du bry dig?

Bra fråga! Här är grejen: att simulera dessa fundamentala kvantväxelverkan med vanliga datorer är svårt. Absurt svårt. Matematiken blir så komplicerad att även superdatorer börjar svettas.

Men kvantdatorer erbjuder en annan väg. Istället för att försöka räkna ut allt steg för steg kan forskare bygga ett kvantsystem som följer samma regler och sedan bara... titta på vad som händer. Det är som att istället för att lösa ett labyrintproblem på papper, bygga labyrinten på riktigt och släppa ner en liten robot för att utforska den.

Den här forskningen visar att hybridkvantsystem som det Oxford-teamet byggde kan hjälpa oss att undersöka växelverkan som blir allt svårare att studera på andra sätt. Det spelar roll eftersom förståelsen av dessa fundamentala interaktioner så småningom kan hjälpa oss att bygga bättre kvantdatorer, förstå universums grundläggande byggstenar, eller kanske — kanske — lista ut helt ny fysik som vi inte ens föreställt oss än.

Sammanfattning

Jag ska inte låtsas att det här är lätt att begripa. Jag har läst om kvantfysik i åratal, och det får fortfarande min hjärna att göra åtminstone i den bästa av bemärkelser.

Men det som får mig att hoppa av glädje är det här: Vi lever i en tid då förutsägelser som gjordes för decennier sedan i dammiga fysiktidskrifter äntligen testas i riktiga laboratorier. När Einstein drömde upp sina "kusliga" idéer kunde han aldrig föreställa sig att vi faktiskt skulle bygga maskiner för att utforska dem.

Nästa gång någon påstår att fysik är tråkigt eller irrelevant, kom ihåg: någonstans där ute rörs partiklar runt av osynliga krafter som de aldrig nuddat. Och ärligt talat? Det är rätt häftigt.