Kredit:Northeastern University
Den värld som kvantfysiker studerar med ett tränat öga är precis samma värld som vi icke-forskare navigerar i varje dag. Den enda skillnaden är att den har förstorats till obegripligt små och stora skalor.
Ändå är kvantfysik fortfarande till stor del ett grumligt ämne - även för vetenskapligt skarpsinniga läsare. News@Northeastern pratade med Gregory Fiete, en fysikprofessor vid Northeastern, om några av de breda tillämpningarna av kvantforskning, från att utveckla förnybara energikällor och bygga mer kraftfulla datorer, till att avancera mänsklighetens strävan att upptäcka liv bortom solsystemet. Fietes kommentarer har redigerats för korthet och tydlighet.
Till att börja med, låt oss ge vår publik lite inblick i ditt arbetes natur, och titta ner i de oändligt smås värld. Vilka är några missuppfattningar om det arbete som kvantfysiker som du själv sysslar med – och varför är det viktigt?
Du nämnde kvant och de smås värld. Det är vad de flesta människor tänker på när de tänker på kvantmekaniken och hur några av de tidiga grunderna för kvantteorin utvecklades, som betraktade väteatomen och hur den har diskreta energinivåer, som du kan observera experimentellt genom att titta på spektra, eller hur den absorberar och avger ljus till exempel.
[Väteatomen] absorberar och sänder ut vid särskilda frekvenser, och vi förstår nu att det beror på atomens kvantnatur – hur det bara finns specifika tillåtna banor för en elektron runt kärnan. Så vi tenderar att tänka på kvantmekanik i termer av detta mycket viktiga tidiga exempel på en väteatom, och därför är vi partiska att tro att kvantum handlar om det lilla. Men i själva verket handlar det inte alls om det lilla.
Ta solen, till exempel. Solen är väldigt stor – det är det största föremålet i vårt solsystem; våra planeter kretsar runt den i banor på grund av dess gravitationskraft.
Solens funktion är att den förbränner väte. Dess gravitationskraft är så stor att den kombinerar väte till helium och sedan helium till andra grundämnen. Det smälter samman atomer och den fusionsprocessen är ett kvantfenomen, och det ligger bakom en av de stora energiutmaningarna som genomförs här på jorden, känd som hållbar fusion. Det är bara att ta väte och kombinera det till helium - om vi kan göra det på jorden inom en magnetisk inneslutning, då kommer vi att ha en ren och förnybar energikälla.
Det finns i princip obegränsade mängder väte som kan kombineras, och helium är inte radioaktivt. Så vi skulle kunna producera mycket energi från saker som är mer eller mindre oändligt rikliga utan att producera avfall i form av radioaktivt material. Detta är en dröm som fysiker arbetar mot. Så några av de största sakerna i universum är verkligen kvantmekaniska, inklusive supermassiva svarta hål som kan förlora energi genom ett kvantfenomen som kallas Hawking-strålning.
Den andra punkten är att man ofta tror att kvantum handlar om mycket låga temperaturer. Återigen, för att ta vår sol som exempel – det är väldigt varmt, men det är kvantmekaniskt. Låg temperatur fungerar inte som ett krav för kvantum. Det här exemplet på en stjärna och fusionsprocessens kvantitet och de höga temperaturer som är förknippade med det - jag vill bara vidga synen på vad kvantmekanik är och hur allmänt förekommande den är.
När vi skriver om det arbete du och dina kollegor utför finns det alltid applikationer i verkligheten. Kan du prata om några av de sätt som kvantfysiker driver på tekniska framsteg utanför sitt område?
Jag ska nämna några av mina favorittekniker. En av de saker som verkligen upphetsar mig med kvantfysik är dess användning för vad jag tänker på som "kriminalteknik" eller kvantforensik, om du så vill.
Eftersom saker som atomer har diskreta energinivåer förknippade med dem, visar det sig att det kan användas för att identifiera atomer. Om du jämför de tillåtna energinivåerna för väte och de tillåtna energinivåerna för helium, eller något annat grundämne, är de olika. Om du hade en gas av något, då skulle du kunna bestämma vilka atomer som finns i gasen genom att titta på hur den absorberar och avger ljus. Detta är av stort praktiskt värde om du är intresserad av något långt borta, till exempel en planet som kretsar runt en stjärna som inte är vår egen.
Det finns ett fantastiskt fält av exoplaneter som vi upptäcker med hjälp av kraftfulla teleskop, som upptäcker dessa planeter som rör sig mellan stjärnor och vår jord. Våra teleskop – några av dem är i rymden kopplade till satelliter med otrolig frekvensupplösning och känslighet – är så kraftfulla att vi kan titta på det tunna lagret av atmosfären runt dessa planeter och hur ljuset från stjärnan passerar genom det. Sedan använder vi tekniken spektroskopi och ser hur ljuset från stjärnan bakom absorberas av atmosfären på denna planet, som kan vara tusentals ljusår bort. Så vi kan upptäcka vilka atomer som finns i atmosfären.
Det är ganska intressant. Men det går längre. Vi kan upptäcka vilka molekyler som finns där också. Till exempel, finns det två väteatomer bundna till en syreatom? Med andra ord, finns det vatten i atmosfären? Molekyler har sin egen spektroskopiska signatur. Så vi kan faktiskt upptäcka om det finns vatten i atmosfären på några av dessa planeter, och det är verkligen spännande.
Ändå kan vi ta det ett steg längre. När det är temperaturer inblandade, då blir dessa spektrallinjer, som de kallas, dessa specifika frekvenser breddade. Det är ungefär som en rad frekvenser där du ser absorption och emission. Och mängden den har breddats berättar om en molekyls temperatur - med andra ord temperaturen i atmosfären på dessa planeter.
Det är ganska fantastiskt att vi kan avgöra vad som finns i dessa planeters atmosfärer – planeter som skulle vara omöjliga för människor att någonsin besöka. Det, och vi kan leta efter signaturer av liv, som, finns det molekyler som vi associerar med liv som flyter omkring på dessa planeter, åtminstone om det är jordliknande liv; då kanske vi med viss sannolikhet kan fastställa att någon planet långt där ute som ingen människa någonsin skulle kunna besöka, hyser liv. Eller så kanske vi kan upptäcka andra kandidatlivsformer. Det är ett exempel som är ganska inspirerande, och det bygger i slutändan på kvantfysik och tekniken för spektroskopi.
Ett annat exempel som jag tror också är av stort intresse är att kvantfysiken producerar energikällor som ligger utom räckhåll för solenergi. Så när du skickar en djup rymdsond för att titta på de yttre planeterna i vårt solsystem, låt oss säga Pluto (tekniskt sett inte längre betraktas som en planet). Om du vill titta på Pluto skickar du en djup rymdsond – det tar år att komma dit. Du kanske frågar, vilken typ av strömkälla kan du ha för datorerna på den här sonden så att du kan skicka tillbaka de vackra bilderna som vi ser? Tja, du kan sätta på ett batteri där. Det kommer att ta år att komma dit, rymden har mycket strålning och batterierna kan skadas; de kanske inte fungerar ordentligt när de skjuts upp genom alla värmevariationer som kommer ut ur atmosfären och kylan i rymden, etc. Det är inte särskilt praktiskt. Det finns inte tillräckligt med ljus från solen som du kan samla in med solpaneler för att köra datorsystemen och skicka tillbaka bilder.
Så hur driver de datorerna på dessa djupa rymdsonder? Det de använder är strålning. De använder ett radioaktivt material, och radioaktivitet är återigen en annan kvantprocess, där tunga grundämnen sönderfaller till lättare grundämnen; när de gör det, stöter de ut delar av sin kärna. Men dessa utstötta delar av kärnan bär energi som kan fångas.
Det finns material, varav en del ligger väldigt nära saker som jag jobbar med, som kallas termoelektriska material. De tar högtemperaturområden och de länkar dem med lågtemperaturområden, omvandlar denna hög-låga temperaturskillnad till en spänning, som sedan fungerar som ett batteri. När du väl har en spänning i ett elektriskt system kan du nu flytta runt strömmar och driva en dator eller elektriska kretsar på mer eller mindre normalt sätt.
Det hela är väldigt intressant. Det låter som att kvantfysiken verkligen är det grundläggande arbetet som går till att transformera vår energiinfrastruktur, bland annat. Är det rätt sätt att tänka på det?
Ja det stämmer. Det är en bra poäng – att tänka på klimatförändringar och förnybar energi och även teknik som inte förorenar vår miljö.
Om vi bara tänker på energi ett ögonblick, som när vi diskuterade exemplet med fusion, som är en grön teknik – förutsatt att vi kan få det att fungera. Om vi går bort från fusion finns det andra teknologier på plats just nu som är gröna. Ta vindkraftverk. Vad har vindkraftverk med kvantfysik att göra? Sättet som vindkraftverk fungerar är att de har en magnet i dem fäst vid propellrarna när vinden vrider dem, och att vrida en magnet genererar en elektrisk ström. Det är så du genererar elektricitet:du vrider en magnet inuti en spole av trådar.
Men frågan är:vilken magnet ska du använda? Så det är här som grundforskning – faktiskt forskning som jag till viss del är involverad i på Northeastern – kommer in:att tänka på magnetiska system som skulle ha önskvärda egenskaper för applikationer som vindkraftverk.
Du måste ha en mycket robust magnet som måste överleva höga temperaturer, vilket betyder mycket över rumstemperatur, eftersom det kan bli varmt där uppe med solen som skiner på den. Den måste också ha egenskaper som är tillräckligt robusta för att överleva alla påfrestningar och påfrestningar som den vrids runt i detta turbinsystem. Det är så kallade hårda magneter. Så hur utvecklar du bättre magneter? Det är en kvantfråga.
Som en sista tanke undrar jag vad dina stora förhoppningar är för din forskning och för området. Vad skulle du vilja se hända under din livstid, och finns det några framsteg som vi är på väg till?
Det är en svår fråga som alla inom området ställer sig:vilka framsteg är vi verkligen på väg mot? Ett väl citerat exempel är kvantberäkning. Att ha en kvantdator kommer inte att lösa alla datorproblem som någon kan drömma om. Det visar sig att kvantdatorer är särskilt skickliga på vissa klasser av problem, där de kan ge vad som kallas en "kvantfördel". Det finns några specifika problem för vilka kvantdatorer är mer användbara; men andra problem kan lösas bättre med konventionella superdatorer.
Så en av frågorna på området är att försöka ge en lite skarpare lösning på vilka specifika problem kvantdatorer kommer att hjälpa oss med. Det är ett område under utveckling, som vad som är det sanna nischproblemet för en kvantdator. Jag tror att alla vi som arbetar inom området känner att det kommer att finnas några specifika applikationer, där kvantdatorer egentligen bara överträffar allt annat — och alla vill vara med i detta; alla menar varje utvecklad nation. Alla vill vara en del av denna nästa kvantrevolution, som inte bara handlar om att utveckla kvantmekaniken som en ny vetenskap, utan att omvandla kvantmekaniken till mycket breda tillämpningar. Och datoranvändning är bara ett område i framkant. + Utforska vidare
