Gennem mange år har forskere arbejdet ihærdigt på at forstå og udnytte kvanteeffekter til computerberegninger og kommunikation.
Nu er tiden kommet til også at udnytte kvanteeffekter i andre sammenhænge, mener flere forskere.
De mindste detaljer, der kan ses med mikroskoper og teleskoper, er bestemt af den såkaldte diffraktionsgrænse, der er en direkte konsekvens af lysets bølgenatur.
Diffraktionsgrænsen i et mikroskop er proportional med bølgelængden af det anvendte lys.
I et teleskop er diffraktionsgrænsen bestemt af forholdet mellem bølgelængden af de indkommende fotoner og diameteren af teleskopets spejl.
Det er årsagen til, at ESO – den europæiske organisation, der driver en række store teleskoper i Chile – nu går i gang med at bygge et teleskop med en diameter på 39 meter, næsten fire gange større end det største eksisterende spejlteleskop.
Hvis det ikke var for diffraktionsgrænsen, var det slet ikke nødvendigt med så store teleskoper, men inden for den klassiske optik er det ikke muligt at bryde diffraktionsgrænsen.
Tager man kvanteeffekter i brug, bliver meget imidlertid anderledes.
Kvantemikroskopet er lavet
Shigeki Takeuchi og to kolleger fra Hokkaido University i Sapporo i Japan har med et såkaldt entanglement-enhanced mikroskop forbedret signal-støj-forholdet for et fasebaseret mikroskop.
Forskerne har fremstillet verdens første mikroskop, der udnytter entanglede fotoner, dvs. fotoner med sammenfiltrede kvantetilstande.
De mener, at deres nye mikroskop vil være nyttigt til studier af levende celler inden for biologi og medicin.
Det er en kvantevariant af et såkaldt laser konfokalmikroskop kombineret med et differentiel interferens kontrastmikroskop.
Denne komplicerede betegnelse dækker over et mikroskop, hvor såvel horisontal som vertikal polarisation af lys udsendt fra en laser belyser en transparent prøve.
Efter passagen gennem emnet kombineres lyset fra de to polarisationsretninger før detektion, hvor forskellen i faseskift for lyset i de to polarisationsretninger er med til at bestemme strukturen af prøven.
Den mindste ændring i faseskift, der kan måles (og dermed mikroskopets opløsning), er bestemt af signal-støj-forholdet (SNR). Det er den såkaldte haglstøj, der er et kvantefænomen, der sætter en grænse for denne størrelse.
De japanske forskere har nu lavet en variant af dette mikroskop, hvor fotonerne, der sendes mod prøven i de to forskellige polarisationsretninger, befinder sig i en entangled tilstand. Ligesom en qubit inden for kvantecomputere både er 0 og 1 på samme tid, er fotonerne altså i en tilstand eller superposition, hvor de både er horisontalt og vertikalt polariseret.
Hvor SNR i et klassisk mikroskop er proportional med sqrt(Nk), er det i kvantemikroskopet proportional med N sqrt(k). Her er N antallet af fotoner, der er entangled, og k er antallet af disse N-fotontilstande, der går gennem mikroskopet pr. tidsenhed.
SNR for kvantemikroskopet er derfor sqrt (N) gange højere end for et klassisk mikroskop.
De japanske forskere har bygget et sådant mikroskop, der udnytter lys fra laser med en bølgelængde på 405 nanometer og par af entanglede fotoner (N=2).
De har påvist en forbedring i SNR på 1,35. Forskellen i forhold til den teoretiske forbedring på sqrt(2)=1,41 tilskrives uperfektheder i systemet. Takeuchi er nu gået i gang med at bygge et mere brugervenligt system skræddersyet til biologiske anvendelser.
Det vil stadig være baseret på fotonpar (N=2), men forskerne håber med brug af andre optiske teknikker at kunne skabe en entangled tilstand med 10 eller flere fotoner og derved yderligere forbedre signal-støj-forholdet.
Kvanteteleskoper er i idéfasen
Kan man lave et kvantemikroskop, burde man også kunne lave et kvanteteleskop, da de to instrumenter har mange fælles karakteristika.
Der er dog en afgørende forskel.
I et mikroskop kan man selv styre og manipulere de fotoner, der kommer ind i instrumentet. I et teleskop må man tage imod de fotoner, som bliver leveret fra universet. Og de er ikke i en entangled tilstand.
Blandt andet derfor er kvanteteleskoper i modsætning til kvantemikroskoper endnu kun på idéstadiet.
Aglaé Kellerer fra Durham University har dog beskrevet en idé til et kvanteteleskop i en artikel med titlen ‘Beating the diffraction limit in astronomy via quantum cloning’, der for nylig er offentliggjort i tidsskriftet Astronomy & Astrophysics.
Aglaé Kellerer gør indledningsvis opmærksom på, at nutidens enorme teleskoper måske nok ville imponere 1600-tallets store optikere som Huygens og Newton, men de ville ikke have problemer med at forstå det grundlæggende design.
En række nye interferometriske principper som eksempelvis specle interferometry, udviklet af den franske astronom Antoine Labeyrie, har godt nok været i stand til at forbedre opløsningen af jordbaserede teleskoper. Labeyrie har bl.a. herfor for nylig modtaget dette års Tycho Brahe Pris, der uddeles af European Astronomical Society.
Det har gjort det muligt i praksis at komme tæt på diffraktionsgrænsen for de største teleskoper.
En anden teknik til at opnå skarpe billeder er at kombinere flere teleskoper til et instrument, som det eksempelvis kendes fra Very Large Telescope (VLT), der består af fire teleskoper hver med et hovedspejl med en diameter på otte meter.
Når en foton rammer detektoren i et teleskop, overføres dens energi til et atom, og fotonen forsvinder i samme proces.
Skæbne som maratonløber
Den franske nobelpristager Serge Haroche har udtrykt det på denne måde:
‘Ligesom den græske soldat, der overbragte nyheden om slaget ved Marathon, afgår fotonen ved døden, når den har leveret sit budskab.’
Med entanglement er det dog muligt at lave såkaldte quantum non-demolition-målinger, hvor fotonen detekteres, uden at den ødelægges. Det gør det muligt at forbedre opløsningen på samme måde som i kvantemikroskopet, hvis man kan lave kloner af den indkommende astrofysiske foton.
Inden for kvantemekanikken findes dog et ikke-kloningsprincip, der ikke tillader at lave en klon af en partikel med en ukendt kvantetilstand.
Men det er muligt at gøre noget, som er næsten lige så godt i form af ikke helt perfekt kloning, redegør Aglaé Kellerer for i sin artikel.
Idéen er kort fortalt at generere entanglede fotoner inde i teleskopet. Den ene foton af dette entanglede fotonpar rammer detektoren og er med til at danne det ønskede billede. Den anden foton kan efterfølgende være med til at øge informationen om den første og derved øge opløsningen ud over det, som diffraktionsgrænsen siger er muligt.
Det entanglede fotonpar kan dannes i en krystal af atomer, der er bragt i en eksiteret energitilstand – altså med en højere energi end i atomets grundtilstand.
Når en af de astrofysiske fotoner rammer denne krystal, kan der ske en stimuleret udsendelse af entanglede fotoner, på samme måde som stimuleret udsendelse af fotoner er grundlaget for lasere.
Der er dog to problemer.
Der er normalt meget få astrofysiske fotoner at rutte med, så effektiviteten i denne proces er afgørende. Desuden vil der ske en spontan emission af fotoner fra de eksiterede atomer, som det også kendes fra laser-analogien. Det vil give anledning til støj, som i værste tilfælde kan ødelægge målingen.
Om lige præcis denne metode vil være den bedste i praksis, er ikke engang Aglaé Kellerer sikker på, men hun bemærker afslutningsvis i sin artikel, at udfordringerne ved at bygge større og større teleskoper er af en sådan karakter, at processer som stimuleret emission, entanglement og quantum non-demolition- målinger giver muligheder, der er værd at udforske nærmere.
Leave a Reply