Kvantfysik del 2/3 (Kvantfysik for dummies)

Kvantfysiken kan kännas lite filosofisk och handlar egentligen om hur världen (universum) fungerar när man bryter ner det till de minsta beståndsdelarna. D.v.s. det allt är byggt av. Både jag du och träd består av kvantpartiklar. Det man menar med kvantfysik är egentligen hur molekyler, atomen pyttesmå subatomiska partiklar fungerar.

Min son kom hem en dag med läxa. Eleverna fick i uppgift att beskriva hur en atom ser ut och vanligtvis så ritar vi partiklar så här (på bild1 har jag ritat en elektron) nu kommer det jäkliga:

På bild två har jag ritat samma elektron fast som vågfunktion. För när man går ner på kvantnivå så uppför sig ljus ibland som partiklar och partiklar som vågrörelser. Inte nog med det. Det verkar finnas en inbyggd slumpmässighet i hela universum.

Det är en av de där sakerna som både förbryllar och fascinerar. Att någon kan vara så smart men ändå rita som en treåring med Parkinson.

Hursomhelst. Den där slumpmässigheten  gör att man egentligen inte kan mäta var en elektron befinner sig utan man gör riktigt bra gissningar (vilket är viktigt att ha koll på om man är intresserad av hur kvantdatorer fungerar).

 

Det uppstår ett väldigt underligt fenomen när man mäter. Om man tänker att en elektron är en våg så blir det en partikel när vi mäter den. Det är nästan som en gräns mellan hur saker och ting fungerar på kvantnivå och det är själva mätningen eller observationen som får den att bli en partikel ”på riktig.” Det här upptäcktes med det så kallade dubbelspaltsexperimentet.

Det här är jättemärkligt och vi kan stanna upp en stund vid det påståendet. Det är faktiskt lätt att komma med religiösa förklaringsmodeller (och det görs ganska ofta). Det är som om tanken påverkar materian. Det här är heller inget obskyrt experiment som skett i något labb i något påhittelande under 20-talet utan ett väldigt, väldigt väldokumenterat och återupprepat experiment s. [1] Wikipediasidan på svenska är inte den bästa men av allt underligt som sker inom kvantfysikens värld är nog kanske det underligaste att man gjort en video för barn (?) som pedagogiskt och färggrant förklarar det:

 

Precis som den galna tecknade figuren säger så kan en och samma ljuspartikel kan passera genom två olika springor i ett bräde på samma gång.  Det man kallar superposition är egentligen när partiklar är både här och där på en och samma gång. Egentligen om man ska vara noggrann så tror jag att det borde kallas kvantsuperposition[2]

Om vi nu hoppar till hur en kvantdator fungerar så kan den istället för att med ettor och nollor räkna ut chansa väldigt bra på hur ett protein ska se ut. Under coronapandemin behövde man räkna ut hur proteinstrukturerna stack ut för att kunna göra ett vaccin. Proteinerna kan vecka sig i, rent teoretiskt, nästan ett oändligt antal tredimensionella former. Det är därför man behöver ”superdatorer” för att räkna ut det. Man använde IBM:s dator Summit som genom matematiska formler gav 8 000 förslag på molekyler som skulle kunna täppa till viruset såg ut och av dessa valde man ut ca 100 stycken som man jobbade med.  Det är otroligt många beräkningar av en snabb dator men en qvantdator påstås vara en trilljon (?) gånger snabbare. I alla fall påstår Kina att dom har en sån. [3]

Spännande nog är kvantberäkningar (som är baserade på superpositioner) mer chansningar är exakta beräkningar. Ju bättre och starkare kvantdator desto bättre chansningar inte, som jag förstår det, egentligen nödvändigtvis snabbare beräkningar (men man får såklart resultat snabbare).

 

Det är en sak till man borde känna till om kvantfysiken och det är också beviset för detta som genererat nobelpriset.

Kvantsammanflätning (om man man nu talar ren svenska) är till början inte så komplicerat. Men även här så blir implikationen att världen fungerar på ett helt annat sätt än vi tidigare trott. Jag brukar tänka mig sammanflätningen som om två av bibblans gummisnoddhögar blandas med varandra. Om man drar i ena änden så så får man en reaktion i den andra. Dvs om partiklar blir  sammanflätade kommer ändringar av en av partiklarna göra så att de andra partiklarna ändras.

 

So far so good.

 

Nu kommer det som ställer till det:

Ändringen sker direkt. Oavsett avstånd.  Om gummisnoddhögen sträckte sig tre miljoner mil bort så skulle ändå ändringen ske direkt. Det som Einstein inte gillade är bland annat att informationen skulle färdas snabbare än ljuset.

Det finns en hel wikipediasida om detta om man vill grotta ner sig:

 

https://en.m.wikipedia.org/wiki/EPR_paradox

 

Vad innebär egentligen detta?

Det är alltså det praktiska tillämpningen av teorin som Alain Aspect, John Clauser och Anton Zeilinger fått nobellpriset för och det banar väg för en massa otroliga saker. För just Kvantsammanflätning påverkar det allt som har med (kvant)datorer och information att göra (exempelvis kryptering) men det talas också om… håll i er… teleportering och möjligheten att färdas snabbare än ljuset.

men det mest fantastiska är att , och detta har vi egentligen vetat i snart hundra år, är att Einstans relativitets teori (som i princip allt vi utgår ifrån när man talar om fenomen som big bang etc) faktiskt inte stämmer. Eller I minsta fall så är den inte komplett. Och det är på ett sätt både skrämmande och fantastiskt.

Kvanteorin kittlar fantasin och det kan kännas väldigt verklighetsfrånvänt men tänk så underligt det är att tiden inte går lika snabbt för alla. Det har man vetat sedan Einsteins publicerade den speciella relativitetsteorin 1905. Nu är det normalt (eller tja, lite grann i alla fall).

Världen fungerar bevisligen inte som vi spontant tror den gör. Och det är egentligen ganska otroligt. Tänk var vi kan hamna om hundra år?

 

 

 

 

[1] https://sv.wikipedia.org/wiki/Dubbelspaltsexperimentet

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition

[3] https://www.indiatimes.com/technology/news/chinese-worlds-fastest-quantum-computer-552715.html