Superpositioner – University of Copenhagen

Forward this page to a friend Resize Print Bookmark and Share

Center for Quantum Devices > News > 2012 > Superpositioner

24 July 2012

Superpositioner

Af Markus Bernsen i Weekendavisen den 13. juli 2012:

Portræt af Professor Charles Marcus, leder af Center for Quantum Devices ved Niels Bohr Insitutet.

»Vi fysikere har ikke den dér barriere med, at noget måske kan lade sig gøre, men at vi bare ikke er kloge nok.« Charlie Marcus har forladt sit forskningscenter på Harvard University for at skabe et nyt center for kvantefysik i København.

En sommeraften for ti år siden smed Charles Masamed Marcus – Charlie blandt venner – en håndfuld kroner i mønttelefonen på Gråbrødre Torv og tastede sin kærestes nummer. Fysikprofessoren var på vej hjem til USA efter en konference i Sverige og havde kun tilbragt en enkelt dag i København. Men der var sket et eller andet, mens han spadserede gennem byen. »Her skal vi bo,« sagde han, da kæresten svarede. »Det føles helt rigtigt. «

Charles Marcus: »Faktisk er der intet af det, vi
undersøger, som man kan finde i naturen. Det ville
slet ikke eksistere, hvis ikke et menneske havde
fundet på det. Det betyder, at teori og eksperiment
mødes på midten.« FOTO: OLA J. JOENSEN

Charles Marcus var sidst i trediverne og allerede et stort navn. Kort forinden havde han forladt Stanford University i Californien for at stå i spidsen for et nyt center for kvanteelektronik på Harvard. Hans felt fik masser af opmærksomhed: Den sære, spøgelsesagtige kvanteverden kunne måske bruges til at bygge rigtige dimser med – supercomputere med ubegrænset regnekraft – og Microsoft og IBM var begyndt at poste penge i forskningen.

Forskeren var altså ikke et sted i sin karriere, hvor han savnede udfordringer, men efter den aften på Gråbrødre Torv begyndte København at rumstere i hans baghoved. Marcus dukkede op, hver gang han blev inviteret til en konference i Skandinavien. Han blev venner med Niels Bohr Institutets fysikere, som ikke kunne undgå at lægge mærke til hans entusiasme.

»De sagde: Men du ville jo ikke rigtig have lyst til at kommer herover og arbejde. Jeg sagde: Men måske kunne jeg godt have lyst til det. Det skete mange gange, og for hver gang flyttede tandhjulet sig et hak fremad,« husker han.

I 2009-10 opholdt Charles Marcus sig i ét år på Niels Bohr Institutet som gæsteforsker. Kæresten, der i mellemtiden var blevet hans hustru, og deres to børn på seks og otte år tog med. Familien flyttede ind i en lejlighed oven på Jazzhouse, lige rundt om hjørnet fra Gråbrødre Torv. Opholdet var præcis så rart, som han havde forestillet sig. Marcus er vokset op i Sonoma i Nordcalifornien, i et område med mange bofællesskaber, urtehaver og tibetanske bedeflag, så gåturene på Christiania var helt velkendt.

Men et gæsteophold er én ting, og hans kolleger blev alligevel overraskede, da Marcus, nu 49 år gammel, for nylig solgte sit hus i Boston og købte et nyt på Østerbro. Med 38 millioner kroner fra Villum Fonden og 61 fra Danmarks Grundforskningsfond har han sagt ja til at opbygge og lede et nyt center for kvantemekanik på Københavns Universitet. Center for Quantum Devices (Center for kvanteapparater) indvies til september. Det er første gang, en privat fond finansierer et professorat herhjemme, og et markant et af slagsen. Efter offentliggørelsen steg antallet af ansøgninger til ph.d.- og postdoc-stillinger på Niels Bohr Institutet til det tredobbelte.

Da Weekendavisen møder Charlie Marcus, er det kun et par dage siden, at en amerikansk kollega sidst spurgte, hvornår han havde tænkt sig at vende tilbage til virkeligheden og sin karriere i USA. Marcus tager imod på 4. sal i en af de høje, grå betonbygninger ud mod Nørre Allé i København og viser ind i et stort og fuldstændig tomt lokale, der skal huse centrets hovedlaboratorium. Marcus er i grå lærredsbukser, grøn T-shirt og sorte lædersko uden snører.

Hans nye kolleger spørger også af og til, om han har tænkt det helt igennem, forklarer han.

»Det er sjovt, for de gør det med en særlig tone i stemmen. Det er en charmerende del af den skandinaviske mentalitet, synes jeg. Som om: Hvordan kunne nogen finde på at komme hertil? Hvordan kunne nogen finde på at forlade Harvard for Københavns Universitet? Hvorfor vil én, der er vokset op i Californien, finde sig i det dér.« Han peger ud ad vinduet på et lummert skydække over Østerbro.

»Jeg kan kun gætte – og du må gerne skrive ned, hvad jeg gætter på – men jeg er ikke helt sikker, for nu at være helt ærlig. Jeg har på det seneste tænkt mere og mere over retningen i mit personlige liv. Det er én ting. En anden er den videnskabelige, hvor jeg virkelig tror, at jeg kan bidrage til at gøre det her til et sted i verdensklasse.«

VI sætter os ind på et af de tomme kontorer med nye møbler i lyst træ, og Marcus giver sig til at tegne det færdige laboratorium på bagsiden af at ark papir. Det vigtigste er fryserne. Der bliver syv af dem i laboratoriet, cylinderformede og hængt ned fra loftet i stabiliserende wirer. I hver fryser er temperaturen tæt på det absolutte nulpunkt, minus 273 grader celsius. Det gør, at man kan sende en elektrisk impuls gennem et materiale, uden at den møder modstand – man siger, at materialet bliver »superledende «. Ved siden af hver fryser kommer magneter og paneler med en masse måleudstyr, som centrets 20 unge forskere i nyoprettede stillinger skal være med til at betjene.

Det, der foregår i fryserne, er først og fremmest meget småt. Man kan stirre på punktummet for enden af denne sætning og prøve at forestille sig noget en million gange mindre – og så er man endda stadig et stykke derfra.

Nede i så små størrelser begynder naturen at opføre sig uforudsigeligt. Klassiske fysiske love gælder ikke, og i stedet hersker kvantefysikken, hvor partikler kan være der det ene øjeblik og være pist væk det næste. De kan også blive viklet sammen i par, som bliver ved at spejle hinanden, selv om man skiller dem ad. Det kaldes »entanglement« og er noget af det særeste ved kvantefysik. Det er også Charlie Marcus’ speciale.

Når først to elektroner én gang har været filtret sammen, bliver de ved med at være forbundet på mystisk vis. Om man så skiller dem ad og sender dem til hver sin ende af Universet, vil den ene blive påvirket, hvis man gør noget ved den anden. Det er fysikkens svar på voodoo: prik til en partikel, og den anden siger »Av«. Det er også et kæmpestort uforløst potentiale. Man siger, at de sammenfiltrerede elektroner ikke har én tilstand hver, men har flere »mulige tilstande«. Det kaldes også en superposition og kan måske bruges til noget meget konkret. Det skulle ordet Device, »apparat «, i forskningscentrets navn gerne signalere, forklarer Charlie Marcus.

»Det er en modsætning mellem kvanteverdenen, som alle ser som noget meget abstrakt og æterisk, og så et redskab, som kan ligge her på bordet mellem os. Centret handler netop om den modsætning. Vi arbejder ikke på at lave en bestemt dims, der gør et eller andet, men på den anden side gør det ikke noget, hvis de ideer, vi leger med, fører til en helt ny slags teknologi. Og det er okay, at vi ikke ved præcis, hvad vi sigter efter.

«Den helt nye slags teknologi, som Marcus taler om, er i virkeligheden en ny slags computer. Eller rettere: en ny og langt hurtigere måde at behandle information på. En computer består af en masse transistorer – små kasser der skiftevis tænder og slukker og dermed sender information gennem et system. Antallet af transistorer bestemmer, hvor hurtigt en computer regner. Der produceres ti milliarder transistorer i verden hvert sekund, og der findes et par hundrede millioner i en moderne mobiltelefon. De er blevet så små, transistorerne, at de nyeste kun er tusind atomer brede. Snart når man en fysisk grænse, hvor traditionelle computere ikke kan blive meget hurtigere.

Men hvis man kunne bygge transistorer med kvantemekaniske egenskaber, ville det være en anden sag. Med superpositionen kunne en transistor være både tændt og slukket på én gang og formidle langt mere information. Der er allerede lavet Qubits, som de hedder. Der er også bygget simple kvantecomputere med ganske få transistorer.

HVIS det lykkes at tæmme den vildskab, der gemmer sig i et system af mange tusinde »mulige tilstande«, vil det være en revolutionerende opdagelse – og ikke kun for folk, der er trætte af langsomme computere. Mange videnskabelige problemer kan i dag ikke løses af den simple grund, at man mangler regnekraft til at gøre det. Tempoet i en kvantecomputer vil accellerere udviklingen af en lang række videnskabelige discipliner. Hvis den altså viser sig at være den drømmemaskine, man forventer. For 15 år siden skrev nogle medier om personlige kvantecomputere, som om de ville stå på Elgigantens hylder før jul. Nu er man mere i tvivl om, hvad den type regnekraft egentlig kan bruges til. I de seneste år har der været mere snak om simulatorer, der bruger kvantemekanik til at løse nøje definerede problemer med, end om den store problemknuser.

»Spørgsmålet er, hvor mange typer problemer der vil have godt af at få en kvantecomputer, « siger Charlie Marcus, sænker stemmen og læner sig konspiratorisk ind over bordet. »Med andre ord: hvis vi bygger en kvantecomputer, vil der så overhovedet være problemer, vi kan bruge den til? Vi ved, at den kan bruges til at lave bestemte simulationer af vejrsystemer og biologiske processer, men kan vi også lave en kvantecomputer til alle mulige forskellige formål?

«Han holder en pause og ser på sine hænder i et par sekunder, før han fortsætter. »Jeg tror, at der er alle mulige gode grunde til at tro, at man godt kan bygge den. Vi fysikere lever i en verden, hvor noget enten er forhindret af fysikkens love eller med nødvendighed vil ske en dag. Vi har ikke den dér barriere med, at det måske kan lade sig gøre, men vi bare ikke er kloge nok til at gøre det. Vi er et sted, hvor der er tre store spørgsmål at besvare: det ene er, hvordan kvantemekanik opfører sig i store mængder.« Altså vildskaben af ikke at have fem, men 5.000 kvantemekaniske transistorer, der alle påvirker hinanden. »Det andet er, hvordan man oversætter det til informationsbehandling.

Og det tredje er: Hvordan bygger vi den? Hvad er de ingeniørmæssige udfordringer i at lave et kvantemekanisk apparat, som er stort og kan regne. Kvantemekanikken siger, at det skal kunne lade sig gøre. Så lad os forsøge at gøre det.

«CHARLIE Marcus er en fjer i hatten på Københavns Universitet. Han er et stort navn med en masse erfaring, og i kvantefysik tiltrækker store navne penge og talent, som en magnet tiltrækker jernstøv. Vigtige resultater får man kun, hvis man har det bedste udstyr, og det er afsindig kostbart. Charlie Marcus tager sit grej med sig fra The Marcus Lab på Harvard – »en imponerende maskinpark,« ifølge kollegaen Jesper Nygård. Især måleudstyret er tilpasset gennem mange års eksperimenter og særligt værdifuldt. Forhandlingerne om overtagelsen af isenkrammet var langstrakte, men er netop afsluttet.

»Hvis man ikke har det rigtige udstyr, kan man ikke deltage på det her niveau,« siger Marcus. »Da jeg besluttede mig for, at jeg ville gøre det her, så vidste jeg, at det var nødt til at være stort. Ikke på grund af mit ego, det handler det ikke om, men fordi der ellers ikke er noget at lave! Man siger, at de, der har, skal modtage, og det passer her. I de dyre videnskaber kan man katalysere noget stort til at blive endnu større, men hvis man er lille, er det meget svært at nå derop.

«Kapløbet med andre forskergrupper rundt om i verden står lige nu om de materialer, der testes. Det er rør og tråde af atomer, kaldet nanorør og nanotråde, som forskerne selv dyrker i laboratorier. I laboratoriet på Nørre Allé vil et af de mest almindelige eksperimenter bestå i at putte en nanotråd i en af de syv dybfrysere og sende strøm igennem den. Bagefter vil de skyde et tvillingepar af sammenviklede elektroner ind midt på tråden, så tråden splitter parret ad som i et T-kryds og sender en elektron ud i hver sin ende af den. Den type eksperiment vil blive gentaget mange gange med mange forskellige slags nanotråde for at se, hvordan man bedst kan udnytte tvillingeelektronernes særlige egenskaber.

Materialerne gør forskning i kvantefysik til noget særligt. I mange laboratorier er man enten teoretiker eller praktiker, enten finder man selv på en teori om et eller andet, eller også laver man forsøg, der skal af- eller bekræfte en teori, som andre har fundet på. I kvantefysik er den grænse sværere at få øje på, forklarer Charlie Marcus, fordi forskerne selv skaber det materiale, man undersøger.

»Jeg tror, at ideen om menneskeskabte kvantemekaniske systemer har ændret forholdet mellem teori og eksperiment. Vi er ikke længere bange for at studere ting og materialer, som ikke findes i naturen. Faktisk er der intet af det, vi undersøger, som man kan finde i naturen. Det ville slet ikke eksistere, hvis ikke et menneske havde fundet på det. Det betyder, at teori og eksperiment mødes på midten. Vi skal
ikke måle på en eller anden sten, vi har fundet, så teoretikerne får lov at more sig med at finde ud af, hvad det hele betyder, mens vi bare er ’læg stenen i det magnetiske felt-fyren’. Det er der ikke meget sjov i. Her handler det hele om at bygge noget, hvor kvantemekanikken viser sig, og det betyder, at man er nødt til at tænke på en ny måde, der forstærker eksperimentets rolle. Det er et nyt niveau af kreativitet, hvor vi selv får lov til at skabe hele det fysiske system, der skal studeres.«