Fysikdocent Mathieu Gisselbrecht visar vägen ner i Laserlabbets källarkorridor på Fysicum. I ett par olika rum breder avancerad utrustning ut sig. Vi kryper ihop för att hukandes ta oss under det två meter långa, glänsande röret som tillhör en nästintill världsunik elektronspektrometer. I denna apparat använder forskarna en laserstråle som med sina extremt korta ljuspulser kan utnyttjas till att studera kvantfysiska egenskaper.

Mathieu Gisselbrecht guidar entusiastiskt bland labbets alla vinklar och vrår och optiska delar för att förklara hur man leder laserstrålen fram till det avgörande momentet, det vill säga det skede där forskarna försöker få grepp om kvanttillståndet hos elektroner. Målet är att förstå och kontrollera den fascinerande kvantegenskap som kallas sammanflätning.

– Det är svårt att förklara hur sammanflätning går till. Här lämnar vi den vardagliga världen. Det är därför jag forskar på det, säger Mathieu Gisselbrecht leende.

Sammanflätning på avstånd

Om två elektroner är kvantfysiskt sammanflätade kommer de på något märkligt sätt att lyckas stå i kontakt med varandra även om de färdas åt var sitt håll och avståndet mellan dem blir väldigt stort. Sammanflätningen innebär att information hos den ena partikeln ändras omedelbart om någon förändring sker hos den andra partikeln, trots att de är separerade. Det finns studier som har påvisat att sammanflätade partiklar kan skickas mellan exempelvis en satellit och en markstation på jorden.

Kvantfenomen skapar helt nya möjlig­heter att lagra, överföra och bearbeta information. Forskningsområdet väcker stort intresse. Årets Nobelpris i fysik handlar om just sammanflätning och har banat väg för en ny teknologi baserad på kvantinformation, hittills främst inom avlyssningssäker kvantkrypterad kommunikation samt i utvecklingen av kvantdatorer.

Nyligen fick Mathieu Gisselbrecht 26 miljoner kronor från Knut och Alices Wallenbergs stiftelse för att studera sammanflätning. Hans projekt ska utveckla mätmetoder och teorier för att förstå sammanflätningen mellan elektroner som skickas ut från materia. Sådan kunskap kan bidra till att hitta nya material som gör kvantdatorer tåligare. I nuläget kräver kvantdatorer nämligen väldigt låga temperaturer, nära nollpunkten, för att kunna fungera.

Klassiska fysiska lagar gäller inte

Mathieu Gisselbrecht konstaterar att i kvantvärlden råder inte fysikens klassiska lagar. Exempelvis kan en elektron vara både materia och vågrörelse samtidigt. En sådan partikel kan alltså breda ut sig likt en våg som finns överallt, men i det ögonblick man mäter partikeln får den en definierad plats och betraktas då som avgränsad materia.

Detta gör att kvantvärlden präglas av sannolikheter; alla positioner är så att säga möjliga fram tills att mätningen görs. Det är dessutom en utmaning för forskarna att kvanttillstånd per definition är extremt sköra eftersom kvantegenskaperna förloras när man försöker mäta dem.

– Men vi kan ändå rekonstruera information från ett sammanflätat kvanttillstånd med hjälp av statistik genom att göra väldigt många mätningar, säger Mathieu Gisselbrecht.

Med huvudet fullt av kvantvärldens sannolikheter lämnar vi Laserlabbet och letar oss genom Fysicums korridorer fram till Avdelningen för beräkningsbiologi och bio­fysik, vid Institutionen för astronomi och teoretisk fysik. Det pågår givetvis en rad olika forskningsprojekt inom kvantfysik vid Lunds universitet, både vid Naturvetenskapliga fakulteten och på LTH. Många av dessa projekt har fokus på kvantdatorns hårdvara, men två professorer i teoretisk fysik har det senaste året dykt ner i kvantvärlden med ett annat perspektiv, nämligen att utveckla programvara till en kvantdator.

De bägge professorerna, Carsten Peterson och Anders Irbäck, tar emot i ett av arbetsrummen på deras avdelning. En traditionell svart tavla tronar på väggen. Här försöker kritstrecken åskådliggöra kvantmekaniska möjligheter.

– Det finns några olika slags kvant­datorer tillgängliga i världen. Vi har kört på en så kallad D-Wave vid superdatorcentrat i Jülich i Tyskland, säger Carsten Peterson.

Peterson och Irbäck har nyligen publicerat en studie om hur man kan programmera en kvantdator för att lösa problem gällande proteiners veckning, det vill säga hur proteiners tredimensionella struktur byggs upp. Kunskap om hur proteiner veckas är av central betydelse i medicinska och biologiska sammanhang. För att ett protein ska få en stabil struktur behöver molekylen ha så låg energinivå som möjligt.

– Naturen löser detta självt på ett sätt som vi inte har begripit, säger Carsten Peterson.

Annorlunda att programmera en kvantdator

På en vanlig dator krävs omfattande och tidsödande beräkningar för att hitta bra lösningar på sådana optimeringsproblem. Programmeringsmässigt blir det ett helt annorlunda sätt att tänka på problemet när man programmerar för en kvantdator, konstaterar Peterson och Irbäck. I kvantdatorn växelverkar datorns kvantbitar med varandra och skapar då de fysiska fenomen som gör beräkningen möjlig.

Här utnyttjas bland annat en av kvantvärldens märkvärdigheter som kallas för tunneleffekt, alltså att partiklar lyckas tunnla. Detta fenomen innebär att partiklar tar sig igenom energimässiga barriärer som borde vara ogenomträngliga enligt den klassiska fysiken. I Petersons och Irbäcks studie kunde deras programvara använda tunneleffekten för att få partiklarna i kvant­datorn att hitta lägsta möjliga energinivå för proteinets struktur.

 – Vår metod att avbilda optimeringsproblemet på kvantdatorns kvantbitar är ganska generell och bör kunna användas för andra system, säger Anders Irbäck.

Kvantdatorer och kvantteknologi i all ära, men ämnet inbjuder ju även till underhållande hjärngympa för den som har lite filosofisk aptit. Lika oemotståndlig som en chokladpralin är exempelvis frågan om volym i kvantvärlden. Vad skulle hända om vi tog ett föremål, låt oss säga att vi tar just en chokladpralin, och halverar den upprepade gånger ända tills vi hamnar på kvantnivå? Finns det alltid volym kvar oavsett hur litet något blir, eller kan det tredimensionella till slut upphöra?

Klurigt på elektronnivå

Irbäck och Peterson konstaterar att volymen finns kvar så länge vi rör oss på atomnivå i kvantvärlden. Men när vi går ner ytterligare ett steg i storlek, till elektronerna, så blir det klurigare.

– Ja, då börjar det bli knepigt att uttala sig, säger Anders Irbäck.

Han förklarar att det inte finns något som påvisar att elektroner i sitt materia-tillstånd har en geometrisk utsträckning och därmed någon volym. När det gäller elektroner i sitt vågtillstånd kan forskarna med desto större säkerhet fastslå att volym definitivt saknas eftersom våglängder inte är tredimensionella.

Onekligen är det fascinerande att filosofera kring elektronernas gestaltning – detta volymlösa som bidrar till att bygga upp vår tredimensionella värld. Dessa små partiklar som är så viktiga för hela universums existens. I en tillvaro av sannolikheter befinner de sig, i ett gränsland där de fritt kan få ta plats både som materia och som vågrörelse. Vi lämnar Fysicum, kliver ut i vardagsbruset på Sölvegatan, en vanlig onsdag – och betraktar eftermiddagen i ett uppfriskande nytt perspektiv.