4. september 2020

Orden på kvantemåling vist eksperimentelt for første gang

Kvanteteknologi:

I fysik er det afgørende at kunne vise en teoretisk antagelse i et virkeligt, fysisk eksperiment. I mere end hundrede år har fysikere været opmærksomme på forbindelsen mellem et systems grad af uorden og den information man kan uddrage af målinger fra det. I monitorerede systemer, dvs. systemer, hvor der måles kontinuerligt, har denne forbindelse hidtil ikke kunnet lade sig gøre at vise eksperimentelt.

En ”kvantetromme” er en vibrerende, mekanisk membran
En tynd silicium nitrid membran (hvid) er strukket ud i en silicium ramme (rød). Membranen har et mønster af huller med et centrum, hvis vibrationer måles i eksperimentet.

Nu er forskerne lykkedes med at lave en eksperimentel opstilling med en ”kvantetromme”, en vibrerende, mekanisk membran, som netop viser den fysiske forbindelse mellem systemets uordnede struktur og de målinger, man kan uddrage af det. Et samarbejde mellem Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet og teoretikere ved Queen’s University Belfast, og University of Sao Palo, har vist resultater, der gør det muligt at trække ordnede og dermed læselige målinger ud af uordnede, kaotiske systemer. Det giver mulighed for at skabe et generelt anvendeligt værktøj til styring og aflæsning af graden af uorden i kvantesystemer, hvilket er helt afgørende for fremtidens kvanteteknologier, som fx kvantecomputere. Det videnskabelige resultat er nu publiceret i Physical Review Letters.

Enhver måling fører til et niveau af forstyrrelse i det system, der måles på. I vores almindelige, dagligdags verden er det som regel ikke relevant, idet det fx er muligt for en snedker, at måle længden af et spisebord, uden at målingen forstyrrer resultatet. Men på kvanteskala er konsekvenserne af målingernes forstyrrelser enorme. Forstyrrelserne øger entropien eller den kaotiske, uordnede tilstand i det underliggende system, og udelukker ethvert meningsfuldt resultat af en given måling. Men før vi når til at forklare, hvordan det nylige eksperiment alligevel lykkedes med netop dét, må begreberne entropi og termodynamik forklares kort.

At knuse et æg er termodynamik

Termodynamikkens love beskriver ekstremt komplicerede processer. Det klassiske eksempel er, at hvis et æg falder ned fra et bord, knuses det mod gulvet. I kollisionen produceres varme – og en mængde andre fysiske processer – og hvis man forestiller sig, at man kunne kontrollere alle disse processer, er der faktisk ikke noget i fysikkens love der siger, at man ikke kan vende processen om. Med andre ord, ægget kunne samle sig selv og flyve op til bordoverfladen igen, hvis vi kunne kontrollere hvert enkelt atoms opførsel og køre processen den modsatte vej. Man kan også tænke på et æg som et ordnet system, og hvis det knuses, bliver det ekstremt uordnet eller kaotisk. Fysikere taler om, at entropien eller mængden af kaos er forøget. Termodynamikkens love siger også, at tilstanden af uorden faktisk altid øges – det går ikke den anden vej. Så æg har det ikke med at samle sig og hoppe op på bordoverflader i den virkelige verden.

Korrekte kvantemålinger er afgørende vigtige – og yderst vanskelige at opnå

Hvis vi vender os mod kvantemekanik, ser verden anderledes ud – og ligner faktisk alligevel. Hvis man måler kontinuerligt på udsvingene i et mekanisk, bevægeligt system som ”kvantetrommen” (illustration 1) med en præcision, der kun er begrænset af kvantelovene, forstyrrer målingen bevægelsen afgørende. Man ender altså med at måle udsving, der er forstyrret af målingen selv, og aflæsningen af trommens/membranens oprindelige bevægelse er ødelagt – medmindre man også kan måle den kaotiske tilstand målingen har introduceret, og trække orden ud af den. Lidt på samme måde, som hvis man kunne måle og kontrollere alle processerne i det knuste æg-system. Forskellen denne gang er, at vi besidder informationen om forstyrrelsens struktur, så vi har lært noget afgørende nyt om hele systemet undervejs. Helt afgørende: Vi har adgang til membranens oprindelige bevægelse og kan dermed foretage en korrekt aflæsning. Alessio Belenchia, studiets seniorforsker, og hans kolleger fra Belfast og Sao Paolo har etableret en stærk, formel struktur for denne type analyse.

En generelt anvendelig ramme til at forstå entropi i kvantesystemer

”Forbindelsen mellem termodynamik og kvantemålinger har været kendt i mere end et århundrede. På trods af det, har en eksperimentel forståelse af denne forbindelse, i sammenhæng med kontinuerlige målinger, manglet. Dét er præcis hvad det er lykkedes os at skabe med dette studie. Det er helt afgørende, at vi forstår nøjagtig hvordan målinger producerer entropi og kaos i kvantesystemer, og hvordan vi kan anvende det til at få kontrol over de aflæsninger, vi kommer til at få i fremtiden fra fx kvantesystemer som en kvantecomputer. Hvis vi ikke kan kontrollere ”støjen” eller forstyrrelserne, kan vi ikke forstå aflæsningerne – og kvantecomputerens resultater vil være ulæselige og, selvfølgelig, ubrugelige”, siger Ph.d. studerende Massimiliano Rossi, som er hovedforfatter på den videnskabelige artikel. ”Denne forståelsesramme er vigtig. Den sætter os i stand til, at skabe et generaliseret grundlag for at forstå entropi-producerende systemer på kvanteskala. Det er på denne måde, at studiet her passer ind i den større sammenhæng i fysikken”.

Link til den videnskabelige artikel: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.080601