Vad har kvantdatorer att göra med smogfyllda Londongator, flygande ubåtar, västar, underkjolar, Sherlock Holmesian-mysterier och mässingsglasögon?

En hel del, enligt Nicole Yunger Halpern. Förra veckan gick den teoretiska fysikern med Jacob Barandes, meddirektör för forskarstudier för fysik, för att diskutera hennes nya bok, "Quantum Steampunk:The Physics of Yesterday's Tomorrow". I den dissekerar Yunger Halpern en ny gren av vetenskapen – kvanttermodynamik, eller kvantsteampunk som hon kallar det – genom att smälta samman steampunk-fiktion med facklitteratur och viktoriansk erans termodynamik (värmen och energin som får ångmaskiner att pumpa) med kvantfysik. Yunger Halpern presenterar en nyckfull lins genom vilken läsare kan se en "vetenskaplig revolution som sker i realtid", sa Barandes och utforskade mysterier som även Holmes inte kunde hoppas på att lösa, som varför tiden bara flyter i en riktning.

"Denna blandning av gammalt och nytt skapar en underbar känsla av nostalgi och äventyr, romantik och utforskande", sa Yunger Halpern under ett virtuellt Harvard Science Book Talk som presenterades av Universitys Division of Science, Cabot Science Library och Harvard Book Store. I steampunk, fortsatte hon, "fans klär ut sig i kostymer fulla av hattar och skyddsglasögon och redskap och samlas på kongresser. Det de drömmer om har jag den enorma förmånen att få möjlighet att leva."

Yunger Halpern, stipendiat vid Joint Center for Quantum Information and Computer Science och adjungerad biträdande professor vid University of Maryland, använder steampunk, som förenar viktoriansk stil och futuristisk teknologi, för att introducera läsarna till kvanttermodynamikens komplexa och fantastiska värld. Det nya området slår samman kvantfysik, informationsvetenskap och energivetenskap för att studera nya sätt att driva bilar, ladda batterier, kryptera information och coola kvantdatorer.

"Hur kan vi utöka den viktorianska teorin om termodynamik från stora vardagliga system, såsom ångmaskiner, till små kvant- och informationsbehandlingssystem?" frågade Yunger Halpern och svarade sedan:"Vi sträcker oss tillbaka till det förflutna och går mot framtiden."

För att vägleda deras samtal fokuserade Barandes på Yunger Halperns förmåga att förklara täta kvantbegrepp med nycker. Medan "Quantum Steampunk" mestadels är facklitteratur, introducerar Yunger Halpern varje kapitel med en fiktiv berättelse i steampunk-stil, med karaktärer med namn som Audrey och Baxter. Det här är inte bara vetenskapliga överlöpare från viktorianska eran som flyger runt i dirigibles och pysslar med tidsmaskiner; de är steampunk-versionerna av Alice och Bob – alias som forskare vanligtvis ger till kvantpartiklar för att göra deras beteende lättare att beskriva.

För att introducera sitt områdes många abstrakta definitioner skapade Yunger Halpern ett menageri av metaforer. Till exempel jämför hon svaga kvantmätningar – som används för att undersöka ett kvantsystem utan att störa det – med en kolibri "som stiger väldigt mjukt på din axel", sa Yunger Halpern.

För det integrerade begreppet entropi förlitade sig Yunger Halpern på ännu en fågel - Edgar Allan Poes korp, för att vara exakt. Entropi är helt enkelt ett mått på osäkerhet. I kvantfysikens mycket lilla rike måste forskare reda ut fler entropier, eller osäkerheter, för att utöva kontroll över kvantpartiklar. I större system med fler partiklar, som ångmaskiner, spelar allt färre entropier roll.

"Det påminde mig om en del av "The Raven", sa Yunger Halpern, innan han hoppade in i en recitation av flera strofer av Poes berömda dikt. "Alla hans drömmar, mardrömmar, rädslor och fasor kollapsade på denna ena korp," hon sa. "Det är kanske ett out-there sätt att säga att alla dessa kvantentropier kollapsar till bara en inom konventionell termodynamik."

Innan han ställde sin nästa fråga hoppade Barandes in för att fortsätta där Yunger Halpern slutade, och reciterade en annan strof av "The Raven" med nästan kvanthastighet. ("Min fru himlar med ögonen", sa han när, vid diskussionens slut, föreslog Yunger Halpern att de skulle samarbeta om en längre recitation för Poesimånaden.)

Barandes bad också Yunger Halpern att spekulera om framtiden för kvantdatorer och när de kan bli globala. Sådana maskiner kan göra mer för mindre, sa Yunger Halpern, vilket innebär att de kan beräkna mycket mer komplexa problem, snabbare och med färre resurser än klassiska datorer.

Tidigare i sitt föredrag visade Yunger Halpern ett foto av en modern kvantdator som, som en bra steampunkmaskin, såg ut som en noggrann väv av ömtåliga metaller. Men det där föremålet, förklarade hon, var bara datorns kylskåp; kvantdatorn var ett litet, sårbart chip placerat i mitten, som kronjuvelerna i Tower of London.

Medan det fortfarande är några decennier bort, sa Yunger Halpern att kvantdatorer kunde avkoda trafikflöden eller nästan ogenomtränglig kryptering. Men, sa hon, "alla problem är inte väl lämpade för kvantdatorer. Till exempel rekommenderar jag inte att du betalar din skatt på en." Och även om hon inte förutser en av dessa analytiska storheter på alla hemmakontor, erkände hon att dagens fysiker har gjort upptäckter som grundarna av kvantteorin trodde omöjliga.

"Jag hoppas verkligen," sa Yunger Halpern, "att kvantdatorer förbättrar våra liv på ett sätt som vi inte kan föreställa oss idag." Eller, för att låna från Poes viktorianska vers som hon hade reciterat några minuter tidigare:"Jag stod där ... drömde drömmar som ingen dödlig någonsin vågat drömma förut." + Utforska vidare

Forskargrupp visar att kvantkomplexiteten växer linjärt under en exponentiellt lång tid

Denna berättelse publiceras med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.