Helt siden kvanteteorienes fødsel har forskerne hatt store problemer med å regne ut hvordan enkelte atomer oppfører seg i forhold til hverandre.

Forskerne har kunnet lage teoretiske beregninger, men det har vært vanskelig å overføre det til den virkelige verden.

Nå har danske forskere løst dette problemet. De kan nå regne ut hvordan transport av informasjon fra atom til atom kan optimeres. Det er en av forutsetningene for at man en dag skal kunne lage kvantedatamaskiner.

– Problemet har vært å beregne når atomene gjør det ene eller det andre i den virkelige verden. Vi har kunnet beregne det i teorien, men når vi gjennomfører eksperimentelle forsøk, går det galt. Det problemet har vi endelig løst, forteller en av forfatterne bak studien, førsteamanuensis Nikolaj Thomas Zinner fra institutt for fysikk og astronomi ved Aarhus Universitet.

Problemet stammer fra 1930-tallet, like etter kvantemekanikkens fødsel, og den nye løsningen er offentliggjort i det vitenskapelige tidsskriftet Nature Communications.

Magnetisk mysterium

Anders S. Sørensen, som er professor i teoretisk kvanteoptikk ved Niels Bohr Institutet, har ikke deltatt i den nye studien, men synes at den er veldig interessant.

– Det gjør at vi kan regne på noe vi ikke har klart før. Det løser et vanskelig problem, sier Sørensen.

Det forskerne har funnet ut, er best forklart med et eksempel:

Forestill deg en lang rekke atomer som sitter som perler på en snor.

Hvert av dem har et såkalt magnetisk moment, det vil si en magnetisk retning eller «spinn» som enten peker opp eller ned. Det er en grunnleggende egenskap som mange atomer har.

Atomenes samlede magnetiske moment avgjør om materialet er magnetisk eller ikke. Hvis alle peker i samme retning, er materialet magnetisk. Om det er like mange som peker opp og ned, er det ikke magnetisk.

Dermed kan én jernklump være magnetisk, mens en annen ikke er det. Det er atomenes samlede spinn som avgjør.

En perfekt verden

Om atomenes magnetiske moment peker opp eller ned, avgjøres blant annet av de andre atomene i nærheten.

Ta eksempelet med den lange perlerekken av atomer igjen. Her avgjør hvert atoms påvirkning av hverandre hvordan naboatomenes spinn ser ut.

Det kan for eksempel være at hvis et atom har spinn oppover, har naboen til venstre spinn nedover. Og her kommer forskernes problem inn i bildet.

Hittil har forskere kunnet beregne hvordan hele rekken ville se ut man snudde momentet på ett atomene fra for eksempel opp til ned. De har kunnet regne ut hvordan informasjonen om det ene atomet ville bre seg til alle andre atomer.

Å regne ut dette var en stor bedrift, utført av nobelprisvinner Hans Bethe, en av kvantemekanikkens «grand old men».

Problemet er at det bare fungerer i en ideell verden, når atomene sitter på en pen rekke, og hvor omgivelsene ikke har noen betydning.

Det er først med nye danske formelen det blir mulig å ta med omgivelsene i beregningen.

– Vi kan nå regne på hvordan atomenes magnetiske moment er avhengig av hverandre i et atomlandskap. Vi tar med de lokale betingelsene eller «landskapet» for hvert atom. Atomene kan sitte litt oppe eller litt nede eller er litt nærmere atomet til høyre. Alt det er med i modellen vår, sier Nikolaj Thomas Zinner.

Kan optimere kvantedatamaskiner

Det interessante er at forskere forholdsvis lett kan endre på landskapet eksperimentelt, det vil si at de kan endre på de fysiske rammene omkring atomene.

Det innebærer at forskerne nå kan regne på hvordan et atomlandskap for eksempel skal se ut for å få atomene til å oppføre seg på spesifikke måter.

Kanskje de vil at alle momentene peke i én retning, eller optimere overføringen av informasjonen fra den ene enden av landskapet til den andre.

– Det er slike man må kunne gjøre for å lage en kvantedatamaskin. Man ønsker å konstruere kvantemekaniske systemer hvor informasjonen om atomenes magnetiske moment brer seg raskt og forutsigbart til andre atomer og til slutt ender ved en eller annen form for mottaker. Formelen vår viser hvordan man kan optimere prosessen, sier Nikolaj Thomas Zinner.

Anders S. Sørensen peker på at det vil ta tid før denne forskningen får praktiske konsekvenser.

– Men på lang sikt kan det hjelpe oss til å forstå hvordan materialer i naturen er bygget opp, og det kan hjelpe oss med å designe nye materialer i fremtiden, sier Sørensen. 

Referanse:

A. G. Volosniev m.fl.:Strongly interacting confined quantum systems in one dimension, Nature Communication (2014), DOI: 10.1038/ncomms6300 (sammendrag)

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.