Kvantteknologi – från fysisk teori till revolutionerande teknik
TEMA KVANTTEKNIK
Kvantteknologi är hett just nu – och vi sägs stå på randen till en revolution. Men vad är det egentligen? KTH-professor Mats Wallin reder ut begreppen.
– Kvantteknologi innebär att man tar kvantfysiken och gör teknologiska tillämpningar till industri och samhälle. Det här är nytt, spännande och händer just nu, säger Mats Wallin.
Stater, universitet och storföretag investerar just nu enorma resurser i forskning och utveckling av kvantteknik, med förhoppningen att nå banbrytande framsteg inom områden som kvantdatorer, kommunikation, hälsa, energi, material, logistik, finans, försvar med mera. Men i grunden bygger allting på kvantmekaniken, en del av fysiken som knappast är ny.
– Kvantmekaniken uppstod precis år 1900 med Max Planck, som var den första som föreslog kvantisering av energi, säger Mats Wallin.
Det var startskottet för kvantmekaniken som kan beskrivas som ett sätt att förklara världen på atomnivå, bortom det vi kan iaktta med våra egna ögon. Under de kommande årtiondena bidrog en rad framstående fysiker som Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger och Werner Heisenberg till kvantmekanikens teoretiska utveckling.
– Det tog ungefär 20–30 år tills man hade fått klart för sig konsekvenserna av Plancks förslag och det kan man sammanfatta med två huvudprinciper, säger Mats Wallin.
Världen i dess minsta beståndsdelar
Dels är det Heisenbergs osäkerhetsprincip, som innebär att det inte går att samtidigt bestämma position och rörelsemängd för ett objekt med exakthet när man studerar världen i dess minsta beståndsdelar. Osäkerhetsprincipen talar alltså om när den klassiska fysiken slutar fungera. Men det räcker inte med en negativ princip, enligt Mats Wallin.
– Man måste ha en positiv princip också och den kallas superpositionsprincipen. Den talar om att en kvantmekanisk partikel kan vara i flera tillstånd samtidigt. Sedan kan man göra en matematisk teori av allt det här. Det kan man få läsa om på KTH och det rekommenderas varmt om man vill veta detaljerna!
Mats Wallin förklarar det som att vi människor inte har någon intuitiv förståelse för hur kvantmekaniken fungerar då vi uppfattar att vi lever i den klassiska fysikens värld. Det är den vi observerar. Vi har en position och vi har en hastighet, och om vi går i väg så får vi en ny position och ny hastighet. Det är sällan vi upplever att vi är på två ställen samtidigt.
Från fysik till teknik
Kvantmekaniken har lett till flera teknologiska tillämpningar – som kärnenergi och laser – men det är inte riktigt det som avses när man i dag talar om kvantteknologi, enligt Mats Wallin.
– Mycket av den teknologi som används i dag och som togs fram på nittonhundratalet utnyttjar inte kvantmekaniska fördelar fullt ut och det är det som är det nya.
De kvantmekaniska fördelar som Mats Wallin menar är att kvantmekaniska partiklar kan vara i flera tillstånd samtidigt. Det är det som tillämpas i en kvantdator, där klassiska ettor och nollor ersätts med kvantbitar (qubitar), men kvantdatorn är långt ifrån den enda tillämpningen. KTH bedriver forskning inom kvantteknologi inom flera delområden. Kvantkommunikation, som bygger på enstaka fotoner i stället för elektriska signaler. Inom kvantmateria studeras exotiska kvantmekaniska tillstånd. Vid KTH har tidiga banbrytande bidrag inom kvantinformationsteori gjorts.
– Vi försöker ta skillnaden mellan den klassiska fysiken och kvantfysiken, och utnyttja precis den skillnaden för att göra ny och bättre teknik, säger Mats Wallin.
Hur kommer det sig att dessa genombrott kommer först nu?
– Den experimentella biten är oerhört utmanande, så där har man behövt en lång tids utveckling av till exempel nanoteknik och lågtemperaturteknik som egentligen finns på plats först nu. Så teorin fanns men man har fått vänta in tekniken för att det ska bli möjligt att experimentera, säger Mats Wallin.
Text: Jon Lindhe ( jlindhe@kth.se )