Entanglement er et helt centralt begreb for forståelsen af kvantemekanikken og udvikling af kvantecomputere og kvanteinformationssystemer.
Det får nu følgeskab af – og konkurrence fra – et nyt begreb, der kaldes kvantediskord eller kvanteuoverenstemmelse.
Når det er vanskeligt at lave kvantecomputere, skyldes det, at entanglement er svært at håndtere i praksis. Diskord lider ikke af denne skavank.
Da det samtidig har vist sig, at det i visse tilfælde er muligt at opnå samme beregningsmæssige fordele med kvantediskord som med entanglement, er interessen for diskord eksploderet i de seneste år.
På DTU Fysik har Lars Skovgaard Madsen i 2012 afsluttet et ph.d.-projekt, hvor han målt, hvordan støj og eksterne påvirkninger har betydning for mængden af diskord i systemet. En artikel herom er blevet offentliggjort i Physical Review Letters.
Hans vejleder, professor Ulrik Lund Andersen, forklarer: »Vi har lavet nogle af de første eksperimenter, der viser, at dæmpning i systemet, kan øge mængden af diskord.«
Dermed kan forstyrrende forhold, som vil ødelægge i systemer baseret på entanglement, være en fordel i systemer baseret på diskord.
Korrelationer i ny kontekst
Det var to forskellige forskergrupper, der uafhængigt af hinanden introducerede begrebet kvantediskord i 2001.
Den ene gruppe omfattede Leah Henderson fra University of Bristol og Vlatko Vedral fra Imperial College, London; den anden bestod af Harold Ollivier og Wojciech Zurek fra Los Alamos National Laboratory i USA. De undersøgte begge mere systematisk sammenhængen og forskellen mellem klassiske og kvantemæssige korrelationer.
Det var Ollivier og Zurek, som opfandt ordet ‘kvantediskord’ som et udtryk for forskellen mellem den totale korrelation og den klassiske korrelation for de to systemer. Entanglement er på den måde den maksimale diskord, det er muligt at opnå.
Ulrik Lund Andersen forklarer forskellen mellem klassiske og kvantemæssige korrelationer på denne måde:
Forestil dig, at du har et par sko i en kasse. Åbner du kassen og konstaterer, at den første sko, du får fat i, er en højresko, så ved du også, at anden sko er en venstresko.
Det er en ren klassisk korrelation.
Kvantemæssige korrelationer opstår i forbindelse med to partikler, som kan have to forskellige kvantemæssige tilstande. Er partiklerne bragt i superposition af de to tilstande, og er de ‘entangled’, svarer situationen til, at begge sko vil være en venstresko og højresko på samme tid, indtil man tager en sko op af kassen. Bliver den ved denne proces til en venstresko, bliver den anden automatisk til en højresko.
Alt dette har stået klart for fysikerne i det seneste halve århundrede. Men det er ikke hele fortællingen.
De teoretiske undersøgelser i 2001 viste, at entanglement ikke kan redegøre for alle ikke-klassiske korrelationer, og at adskilte tilstande almindeligvis indeholder korrelationer, der ikke kun er klassiske.
»Det har fysikerne på en eller måde vidst gennem mange år, men det var først i 2001, at det blev præcist beskrevet, hvad man skulle forstå ved dette,« siger Ulrik L. Andersen.
Den første udnyttelse af diskord
Den forbedrede teoretiske forståelse vakte dog ikke den helt store opsigt, da den kom frem, for det stod langtfra klart, om det overhovedet var en interessant opdagelse.
I 1935 satte Albert Einstein med artiklen: ‘Can Quantum Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?’ et frontalangreb ind på Niels Bohrs beskrivelse af kvantemekanikken.
Debatten om artiklen forblev uafklaret, indtil den nordirske fysiker John Bell i 1964 viste, hvordan man kunne udføre et eksperiment, der kunne afgøre, hvem der havde ret. Den franske fysiker Alain Aspect gennemførte i 1982 dette vanskelige eksperiment og viste, at Bohr havde ret.
Allerede samme år som Einsteins artikel lancerede den østrigske fysiker Erwin Schrödinger dog udtrykket ’Verschränkung der Voraussagen’ eller ‘sammenfiltring af forudsigelser’. Schrödinger skrev, at ‘såfremt to separate objekter, for hvilke vi hver især har maksimal viden, kommer i en situation, hvor de påvirker hinanden og dernæst adskilles, så opstår der det, someg har beskrevet som en sammenfiltring af vores viden om de to objekter’. Han oversatte selv Verschränkung til det engelske ‘entanglement’.
I 2008 skete så noget afgørende. Forskere ved University of New Mexico i USA viste, at det er muligt at udføre en kvanteberegning uden brug af entanglement ved at udvikle en metode til at implementere den såkaldte DQC1-algoritme med brug af diskord.
DQC1 eller ‘deterministic quantum computation with one pure qubit’ kan anvendes til at beregne summen af alle diagonalelementer i en kvadratisk matrix (sporet).
For en matrix bestående af 2n søjler og rækker kræves det med en klassisk metode også 2n trin at beregne sporet. Med en kvantemetode baseret på entanglement kan man nøjes med n trin. For store værdier af n er det en afgørende forskel.
Den amerikanske gruppe viste, at man kunne opnå det samme med diskord og angav muligheden for, at den beregningsmæssige fordel også kunne findes i andre tilfælde.
En forskningsgruppe fra University of Queensland lavede samme år en eksperimentel eftervisning heraf. Disse artikler fik for alvor interessen for diskord til at eksplodere.
Diskordforskerne Kavan Modi og Hugo Cable har for nylig ridset situationen op i New Scientist.
De anerkender, at diskord er et kontroversielt emne. Det er et synspunkt, Ulrik Lund Andersen deler.
Andre forskere udtrykker ligefrem skepsis, forklarer Modi og Cable, som også åbent melder ud, at det endnu ikke er påvist direkte, hvordan diskord fører til kvanteberegninger.
»Tilstedeværelsen af diskord kan være et tilfælde. Denne opfattelse taber dog terræn, i takt med at flere anvendelser, der udnytter diskord, opdages,« skriver de.
På den baggrund noterer Modi og Cable, at forskning i diskord, som tidligere blev betragtet som lettere obskurt, nu vinder frem i takt med de klare beviser for, at støjende kvanteenheder kan finde anvendelse i kraftfulde kvanteteknologier.
Kavan og Modi peger på, at diskord muligvis også kan spille en rolle, når det gælder om at forklare overgangen fra kvantesystemer til klassiske systemer.
Det var Erwin Schrödinger, der både opfandt begrebet entanglement og eksemplet med katten, der var død og levende på samme tid. Kan det mon blive diskord, der lader Schrödingers kat slippe ud af sit kvantefangenskab?
Leave a Reply