Daily Archives: December 30, 2013

På Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet har forskere i år udviklet en metode, der kan teleportere kvantetilstanden fra en atomsky til en anden ved hjælp af laserstråler. Metoden virker tilmed hver eneste gang. Den er deterministisk i modsætning til andre teleportationsmetoder, som kun virker med en bestemt sandsynlighed.

Det er efter Ingeniørens mening det vigtigste danske forskningsresultat inden for naturvidenskab og teknik i 2013.

»Eugene Polziks gruppe er blandt verdens førende inden for kvantekommunikation og kvanteinformationsbehandling. Deres nyeste resultat er betydningsfuldt for fremtidige kvantenetværk og distribueret behandling af kvanteinformation,« beretter Dzmitry Matsukevich fra Center for Quantum Technologies ved National University of Singapore til Ingeniøren.

Det er ikke helt uventet, at teleportationsforskerne nu kommer helt til tops. Eugene Polzik var allerede i 2006 med i opløbskampen om årets bedste danske forskningsresultat med et andet og simplere teleportationseksperiment.

Når valget i år falder på Eugene Polzik er det også en markering af hans 20 års virke i teleportationens tjeneste ved danske universiteter, først i Aarhus og siden i København, efter den russiskfødte amerikanske statsborger kom til Danmark i 1993.

Det er en periode, der er sammenfaldende med, at teleportation har været af videnskabelig interesse.

Sådan foregår teleportation

Ved teleportation forstår man transport af et objekt fra et sted til et andet – uden at objektet rent faktisk tilbagelægger en fysisk afstand.

Det var en artikel i Physical Review Letters i 1993 med Charles Bennett fra IBM som pennefører, der flyttede teleportation fra science fiction til et videnskabeligt forskningsområde.

Udgangspunktet var en artikel fra 1991 af Bill Wootters fra Williams College i Massachusetts og Asher Peres fra Technion – Israel Institute of Technology.

Her viste Wootters og Peres, at man kunne opnå mere information ved at foretage en samlet måling på to kvantesystemer, som var i samme tilstand, end det var muligt med separate målinger på hvert af systemerne.

Asher Peres har berettet, at han og Wootters havde svært ved at få deres artikel herom offentliggjort, da reaktionen hos mange var, at det muligvis nok var korrekt, men hvorfor var det egentlig interessant.

Bennett var derimod interesseret, og sammen med Wootters, Peres og tre andre forskere fra universitetet i Montreal satte han sig for at undersøge dette forhold nærmere med henblik på teleportation.

Siden 1996 har det videnskabelige tidsskrift Science kåret årets bedste forskningsresultat som ‘Breakthrough of the Year’. Ingeniøren har siden 2004 gjort det samme for forskningsresultater inden for naturvidenskab og teknisk videnskab, som er udført af forskere i Danmark, eller hvor forskere i Danmark har ydet et væsentligt bidrag som del af et internationalt forskningssamarbejde. Derudover er den eneste betingelse, at forskningsresultaterne har været publiceret inden 15. november i et anerkendt videnskabeligt tidsskrift.

Ingeniøren følger samme metode som Science, så udpegningen af årets videnskabelige top-5 i form af årets bedste og fire andre videnskabelige topresultater foretages af Ingeniørens redaktion. I lighed med de tidligere år er udvælgelsen foretaget af Jens Ramskov, Ingeniøren, og Rolf Hauggard Nielsen, der er freelancejournalist med en langvarig tilknytning til Ingeniøren.

Inden for kvantemekanikken findes et ikke-kloningsteorem, der siger, at man ikke kan lave en kopi af et system med vilkårlig kvantetilstand.

Bennet-gruppen kunne derimod vise, at hvis to personer, som traditionelt inden for teleportationsverdenen kaldes Alice og Bob, er i besiddelse af hver sin makker af et partikelpar med sammenfiltrede kvantetilstande, så kan Alice udføre en måling, der omfatter hendes partikel af dette par og en anden partikel med en ukendt kvantetilstand.

Resultatet af denne måling kan hun sende til Bob over en helt almindelig telekanal eller for den sags skyld pr. brev, hvorefter det er muligt for Bob at omdanne kvantetilstanden af sin makker af parret til samme tilstand, som var gældende for den partikel, som kun Alice havde adgang til.

Da Alice ved sin måling har ødelagt sin egen partikels kvantetilstand, er der ikke tale om en kloning eller kopiering, men en overførsel af partiklens kvantetilstand fra Alice til Bob.

Fra teori til eksperimenter

Artiklen var ren teori. Men eksperimentalfysikerne var hurtige til at tage bolden op.

Eugene Polziks første teleportationsartikel er fra 1998. Her beskrev han bl.a. sammen med forskere fra California Institute of Technology, hvordan det var muligt at teleportere kvanteinformation fra en lysstråle til en anden.

I 2006 lykkedes det for hans forskningsgruppe at teleportere information fra en lysstråle til en gas med cæsiumatomer.

Og i år er det så lykkedes at teleportere kvanteinformation fra en beholder af cæsiumatomer til anden beholder med cæsiumatomer. Artiklen var forsidenyheden i Nature Physics’ udgave i juli.

Mark Saffman fra University som Wisconsin i USA, som er godt med bekendt med Eugene Polziks forskning og i øvrigt har en baggrund som optisk ingeniør i Danmark for 25 år siden, betegner i en mail til Ingeniøren det som et væsentligt fremskridt, som skal ses som et trin hen mod et større mål. Men der er efter hans opfattelse også visse begrænsninger. Blandt andet skal signalstøj-tallene forbedres væsentligt, inden metoden bliver videre nyttig.

Det er i år 10. gang, Ingeniøren kårer Danmarks bedste forskningsresultat. Her er listen over vindere gennem årene:

2004 Klimaet ved istidens begyndelse (NGrip-borekernen), Dorthe Dahl-Jensen, Københavns Universitet

2005 Forklaring på korte, energirige gammaglimt i universet, Jens Hjorth, Københavns Universitet

2006 Aktivering af gener og proteiner ved celledeling, Søren Brunak, DTU

2007 Klonede alzheimer-grise, Arne Lund Sørensen, Aarhus Universitet

2008 Evolutionens dvaletilstand i to mia. år, Donald Canfield, Syddansk Universitet

2009 Verdens mindste nanokasse med et rumfang på 39 zeptoliter, Jørgen Kjems, Kurt Gothelf og Ebbe Sloth Andersen, Aarhus Universitet

2010 Genom for 4.000 år gammel grønlænder (Inuk), Eske Willerslev og Morten Rasmussen, Københavns Universitet

2011 Astroseismiske målinger af stjernenes indre, Jørgen Christensen-Dalsgaard og Hans Kjeldsen, Aarhus Universitet

2012 Kortlægning af grisens arvemateriale. Lars Bolund, Aarhus Universitet samt Merete Fredholm og Jan Gorodkin, Københavns Universitet

2013 Kvanteteleportation, Eugene Polzik, Københavns Universitet

»Jeg vil tro, at Eugene Polzik vil opnå væsentlige forbedringer i de kommende år,« siger Mark Saffman.

En kvante-fjernkontrol er på vej

Det næste, vi kan vente os, er muligvis en kvante-fjernkontrol.

Sammen med bl.a. teoretikeren Christine Muschik fra Institut de Ciencies Fotoniques i Barcelona, som også er medforfatter på artiklen i Nature Physics, har Eugene Polzik i år også fremsat en teori for, hvordan det er muligt dynamisk at manipulere kvantetilstanden af et system og observere ændringerne i et andet system et helt andet sted. Derved er der tale om kvante-fjernkontrol.

Det vil nok være et godt bud, at der allerede i laboratorierne på Niels Bohr Institutet arbejdes på eftervise denne teori eksperimentelt.

Eugene Polzik har været begunstiget af store forskningsbevillinger. Han står i spidsen for Center for Kvanteoptik (Quantop), der med støtte fra Danmarks Grundforskningsfond blev oprettet i 2001, og som har modtaget bevillinger fra 80,6 mio. kr. fra Grundforskningsfonden over ti år.

I 2011 fik han en af de eftertragtede bevillinger fra European Research Council på 18 mio. kr. bl.a. med denne begrundelse: ‘Eugene Polzik er en af verdens førende forskere inden for eksperimentel kvanteoptik og kvantekommunikation. Han har opbygget et meget stærkt forskningsmiljø af højeste kvalitet og udvist kapacitet til at udføre epokegørende ny forskning og opnå banebrydende resultater’.

Dybt nede i mudderet under havbunden udgør arkæer en stor del af det mikroskopiske liv. De encellede organismer er en helt separat livsform, som er ukendt for de fleste.

Forskere ved Center for Geomikrobiologi ved Aarhus Universitet, som ledes af Bo Barker Jørgensen, har som de første i verden kortlagt arvematerialet i fire arkæceller hentet op fra mudderet i Aarhusbugten. Derved er de kommet frem til, at arkæer spiller en vigtig og hidtil ukendt rolle i Jordens kulstofkredsløb ved at nedbryde proteiner.

Anført af Karen Lloyd fra University of Tennessee i USA, som i to år var tilknyttet Center for Geomikrobiologi, har Aarhus-forskerne offentliggjort deres resultat i Nature.

Livet på Jorden inddeles i tre livsformer: Bakterier er encellede mikroorganismer uden cellekerne. Planter, dyr og svampe består derimod af eukaryote celler, der indeholder en cellekerne. Arkæer har som bakterier ingen cellekerne og er encellede organismer, men de biokemiske egenskaber minder om dem, man finder i den eukaryote celle.

Det var først i slutningen af 1970’erne, at man opdagede, at arkæer er en separat livsform forskellig fra bakterier.

Arkæer kan bl.a. findes i ekstreme miljøer som varme kilder. Inden for de seneste år er man blevet klar over, at arkæer også udgør en stor del af havbundens mikroorganismer. Ifølge Bo Barker Jørgensen er det et realistisk skøn, at arkæerne er den gruppe organismer med flest individer i verden.

I dna’et fra arkæerne fandt forskerne gener, som koder for enzymer, der bruges til nedbrydning af proteiner. Efterfølgende kunne de vise, at jo mere protein, der blev tilført prøver med arkæer, des mere bliver nedbrudt. Dermed er de nu overbeviste om, at arkæer spiller en vigtig rolle i havbundens økosystem.

Postdoc Dorthe Groth Petersen, der er medforfatter på artiklen, kalder beskedent resultatet for en lille brik i forståelsen af det marine økosystem. Brikken er dog vigtig, da den er med til at opklare mysteriet om, hvordan mudder-arkæer lever, hvilket man intet kendskab havde til tidligere.

Hvordan kan det være, at bjergkæder som Appalacherne i USA og Ural i Rusland har eksisteret i flere hundrede millioner år og dermed er langt over deres estimerede levetid? Det spørgsmål har geologerne undret sig over gennem lang tid.

David Lundbek Egholm og Mads Faurschou Knudsen fra Aarhus Universitet samt Mike Sandiford fra University of Melbourne i Australien har nu fundet svaret.

Store bjergkæder opstår i forbindelse med tektoniske bevægelser, hvor materiale fra undergrunden skubbes op. I områder, som bliver tektonisk inaktive, vil erosion forårsaget af vand i floder slide bjergene ned til grunden i løbet af en snes millioner år. Det er den forudsigelse, som følger af den gængse stream power-teori, der antager, at bjergene nedbrydes i en langsom, jævn proces.

Det har derfor været et mysterium, hvordan bjerge eksempelvis på Sri Lanka kan holde sig opretstående meget længere på trods af store brusende floder.

David Egholm og Mads Faurschou Knudsen forklarer nu, at der er et meget mere kompliceret samspil mellem erosion i form af stenskred og erosionen, end stream power-modellen antager.

Jordskreddenes magi

Stenskred påvirker bjergenes erosion på to måder. På den ene side beskytter de flodbunden mod yderligere erosion ved konstant at fylde nye jord- og stenlag op. På den anden side kan jordskredene tilføre de materialer, som i strømmen kan øge erosionen.

‘Magien’ opstår så at sige, hvis jordskreddet konstant bevarer jordlagene, samtidig med at det eroderer visse dele af bjergterrænets bund. Den kombination forlænger ifølge de to forskere bjergenes levetid, skriver Aarhus-forskerne i en artikel i Nature.

De har taget udgangspunkt i fysiske teorier for, hvordan småsten kan hvirvles op i vandet og transporteres et stykke vej for derefter at falde ned på bunden igen, og hvor megen energi, stenene overfører til underlaget under sammenstødende. Alt dette har de indpasset i en geologisk model, der tager højde for den tidslige udvikling.

Analysen viser mere specifikt, at kombinationen af jordskred og flodstrømning betyder, at en bjerghøjde af 2 kilometer kan opretholdes i mere end 200 millioner år, mens det kun kaster godt 20 millioner år af sig, hvis man bruger en model, der udelukkende tager flodens erosion i betragtning.

Hvis det ikke var, fordi datahastigheden i optiske fibre gennem det seneste kvarte århundrede var øget mere end 10.000 gange, ville internettet for længst være bukket under.

I år har forskere fra Boston University i USA i samarbejde med den danske producent OFS-Fitel i Brøndby i Science præsenteret en ny mulighed for at mangedoble kapaciteten af dataoverførsel, så vi også i de kommende år kan opleve stærkt øget kapacitet.

Da fiberen er produceret og videreudviklet i Danmark kvalificerer det forskningsresultatet til at kunne indgå på listen over årets største danske forskningsresultater.

Ideen er at udnytte muligheden for at sende flere forskellige signaler gennem fiberen på forskellige bølgetyper, der adskiller sig fra hinanden ved at have et forskelligt impulsmoment eller orbital angular momentum (OAM).

Det er en teknik, der tidligere er udnyttet i andre sammenhænge med lys og også i forbindelse med radiobølger. Men det er en mulighed, som man ikke hidtil har anset for praktisk anvendelig i optiske fibre, da uperfektheder i fibre vil blande signalerne sammen og derfor i kommunikationsterminologiens fagudtryk vil give anledning til krydstale.

Siddarth Ramachandran fra Boston University har lavet oplægget til en optisk fiber, som minimerer koblingen mellem signalerne.

Venstre- og højredrejet lys

Poul Kristensen fra OFS-Fitel har været med til at optimere det foreslåede design og har fremstillet fiberen i Brøndby. OFS-Fitels danske afdeling har udspring i NKT’s lyslederproduktion, som blev påbegyndt omkring 1980.

En fiber med en længde på 1,1 kilometer er efterfølgende blevet afprøvet i en forsøgsopstilling.

Fiberen er bl.a. blevet brugt til at overføre et signal på 1,6 terabit/s ved at benytte ti bølgelængder, to OAM-bølgetyper (henholdsvis en venstredrejet og højredrejet snoning af lyset) og et avanceret modulationsformat, der kendes som 16-QAM (kvadratur amplitude modulation).

Måden til at undgå krydstale på er et særligt design af brydningsindeksvariation i fiberens kerne. Poul Kristensens fiber har som normale optiske fibre et højt brydningsindeks i centrum. Det er omgivet af en ring med et lavere brydningsindeks og endnu en ring med en højere brydningsindeks. Uden om den sidste ring findes kappen med et konstant lavt brydningsindeks.

Anvendelse af OAM-bølgetyper til at overføre meget høje datahastigheder i fibre kræver altså en helt ny form for optiske fibre. Det er ikke muligt at anvende med de fibre, som allerede er i drift.

Poul Kristensen vurderer, at OAM-teknologien i første omgang kan være interessant i store datacentre, hvor der skal overføres meget høje datahastigheder over afstande, og hvor der allerede i dag er pladsproblemer med at installere flere kabler.

Eske Willerslevs Center for Geogenetik ved Københavns Universitet er noget nær verdensmestre i analyser af ældgammelt dna. Hvert år fremlægger forskerne ved centeret nye resultater, som rokker ved tidligere accepteret viden og bringer nye hårde fakta om udviklingshistorien på Jorden til veje.

På en konference i USA kunne Eske Willerslev i oktober berette, at dna-analyser af en dreng, der døde for 24.000 år siden, viser at en tredjedel af den amerikanske indianeres arvemasse kommer fra Europa, så disse ikke udelukkende har arvemasse, der stammer fra Østasien, som det tidligere var formodet.

Dette forskningsresultat blev dog først offentliggjort af Nature efter vores skæringsdato 15. november, så det kan ikke komme i betragtning til Videnskabens top-5 i år.

Det kan derimod en analyse af en 700.000 år gammel hesteknogle foretaget af Ludovic Orlando fra Eske Willerslevs center.

Knoglen blev fundet i 2003 i et permafrostlag ved Thistle Creek i Yukun-territoriet i Canada tæt ved Alaska. Netop fordi knoglen har ligget gemt i den ekstreme kulde, er dna-materialet så velbevaret, at forskerne har kunnet sekventere genomet.

Hestens forfader er endnu ældre

Analysen, der er fremlagt i Nature, imponerer ved at give en rekord for kortlægningen af et fuldt genom. Hestens genom er næsten ti gange ældre end den tidligere genomrekord, som tilhørte Denisova-mennesket, der var en fjern af slægtning af neanderthalerne.

Forskningsresultatet rykker også afgørende ved vores viden om hestens udviklingshistorie.

Ved at sammenligne genomet med et genom for en hest, der levede for 43.000 år siden, en nulevende Przewalski-hest og et æsel har Ludovic Orlando og co. fundet, at den seneste fælles forfader til hestefamilien (Equus) levede for 4-4,5 millioner år siden. Det er dobbelt så lang tid siden, som man tidligere har vurderet.

Forskerne har også påvist, at størrelsen af hestepopulationen har varieret betydeligt de seneste to millioner år – ikke mindst under store klimaforandringer.

De har desuden kunnet fastslå, at Przewalski-hesten, som er den eneste ægte vilde hest tilbage i verden (vilde heste i Australien og andre steder er i virkeligheden domesticerede heste, der er undsluppet), ikke er blandet med domesticerede heste.

Analysen viser, at Przewalski-hesten og de domesticerede heste skiltes ad for mellem 38.000 og 72.000 år siden.

En stor del af Wikipedias fremtid er knyttet til sprogene i udviklingslandene, forklarer internetleksikonets stifter Jimmy Wales i den tredje del af et stort interview, som blev foretaget i begyndelsen af december, da han var i København for at deltage i en international konference og modtage en Unesco Niels Bohr Guldmedalje for Wikipedias bidrag til en Åben Verden.

Du har tidligere erklæret, at du ønsker mindst 250.000 artikler på ethvert sprog, der tales af mere end en million mennesker – dem er der omkring 350 af. Hvordan går det med den målsætning?

»Vi oplever i dag vækst visse steder, men ikke i alle lande. Det går rigtigt godt i Sydøstasien, og langt om længe ser vi også en vis vækst i afrikanske sprog. Men der er stadig tale om meget små sprogversioner i Afrika.«

»Men der er her, fremtiden er for os. Den næste milliard brugere, der vil komme online inden for de næste 5-10 år, vil for størstedelens vedkommende bo i udviklingslandene.«

Hvilke udfordringer giver det Wikipedia?

»Vi skal bl.a. tænke mere over, hvordan folk kommer online. Det sker på mobile enheder, som giver os udfordringer – ikke mindst i forbindelse med redigering af artikler. Det vil altid være svært at redigere artikler på en iPhone, men på tablet-computere kan vi nok finde ud af at give en god oplevelse. Jeg redigerer nogle gange selv Wikipedia-artikler fra min iPad. Det fungerer nogenlunde i dag, men det kunne sikkert blive bedre.«

Det er måske overraskende for mange, at du selv redigerer artikler. Hvor lang tid bruger du på det?

»Sandsynligvis mere end jeg burde. «

Kan du være mere specifik?

»Størstedelen af min tid bruger jeg på at diskutere med Wikipedia-community’et, og så redigerer jeg lidt ind i mellem – nærmest lidt for sjov. I dag lavede jeg eksempelvis en tilføjelse til en artikel om en komiker – jeg har faktisk lige glemt hans navn – hvorom jeg havde modtaget en oplysning. Det er ofte små ting som det, men iblandt er jeg mere ambitiøs. Det afhænger af min tid.«

To millioner donerer penge hvert år

Wikipedias økonomi er baseret på frivillige donationer. Det ser ud til at fungere relativt smertefrit. Hvad er jeres hemmelighed?

»Traditionelt samlede vi penge ind ved en årlig indsamling ved årets slutning. Vi er nu blevet mere sofistikerede. Det betyder, at vi er blevet i stand til at indsamle større beløb med brug af færre bannere. Vi har eksperimenteret lidt med nye design for at øge virkningen, men vi hjælpes også af, at mange er villige til at bidrage år efter år.«

»Vi har nu skiftet strategi til indsamling hen over året, så en bruger vil se fem bannere i løbet af et år. Det indbringer en tredjedel af vores budget, før den traditionelle årlige efterårskampagne begynder. Vi tror derfor på, den vil blive kortere og mindre ‘forstyrrende’ end tidligere.«

»Det ser ud til, at I har fundet opskriften på at drive en nettjeneste, som det ikke lykkes med for aviser?

Vi har omkring 500 millioner brugere om måneden og årligt omkring to millioner, der giver donationer. Det er det store volumen, som er grundlaget for vores model.«

»For internetaviser, som baserer sig annonceindtægter eller delvis betaling for indholdet, er der ligeledes et incitament at blive stor meget hurtig. Det kan derimod være svært for lokale aviser at skaffe indtægter. Det bekymrer mig faktisk, for de er vigtige. Jeg er ikke sikker på, hvordan markedet vil udvikle sig, men det bliver spændende at følge.«

»Et andet forhold for Wikipedia er, at vores omkostninger er lave, fordi vores model kan fungere ved, at det er frivillige, som skriver. Journalistik er anderledes.«

Jimmy Wales forklarede mere om problemerne med at drive journalistik baseret på frivillig arbejdskraft i anden del af interviewet.

Læs også første del af interviewet her: