De wereld die kwantumfysici met een getraind oog bestuderen, is dezelfde wereld waarin wij, niet-wetenschappers, elke dag navigeren. Het enige verschil is dat het is uitvergroot tot schalen die onbegrijpelijk klein en groot zijn.

Toch blijft kwantumfysica grotendeels een duister onderwerp, zelfs voor wetenschappelijk scherpzinnige lezers. News@Northeastern sprak met Gregory Fiete, een natuurkundeprofessor aan Northeastern, over enkele van de brede toepassingen van kwantumonderzoek, van het ontwikkelen van hernieuwbare energiebronnen en het bouwen van krachtigere computers tot het bevorderen van de zoektocht van de mensheid om leven buiten het zonnestelsel te ontdekken. Fiete's opmerkingen zijn bewerkt voor beknoptheid en duidelijkheid.

Laten we om te beginnen ons publiek wat inzicht geven in de aard van je werk, door neer te kijken in de wereld van het oneindig kleine. Wat zijn enkele misvattingen over het werk waarmee kwantumfysici zoals u zich bezighouden - en waarom is het belangrijk?

Je noemde kwantum en de wereld van het kleine. Dat is waar de meeste mensen aan denken als ze denken aan kwantummechanica en de manier waarop enkele van de vroege fundamenten van de kwantumtheorie zich ontwikkelden, waarbij rekening werd gehouden met het waterstofatoom en hoe het discrete energieniveaus heeft, die je experimenteel kunt observeren door naar de spectra te kijken, of hoe het bijvoorbeeld licht absorbeert en uitstraalt.

[Het waterstofatoom] absorbeert en zendt uit op bepaalde frequenties, en we begrijpen nu dat het komt door de kwantumaard van het atoom - hoe er alleen specifieke toegestane banen van een elektron rond de kern zijn. Dus we hebben de neiging om kwantummechanica te denken in termen van dit zeer belangrijke vroege voorbeeld van een waterstofatoom, en daarom zijn we bevooroordeeld door te denken dat kwantum over het kleine gaat. Maar eigenlijk gaat het helemaal niet om het kleine.

Neem bijvoorbeeld de zon. De zon is erg groot - het is het grootste object in ons zonnestelsel; onze planeten draaien er in banen omheen vanwege zijn aantrekkingskracht.

De manier waarop de zon functioneert, is dat ze waterstof verbrandt. Zijn aantrekkingskracht is zo groot dat het waterstof in helium combineert, en dan helium in andere elementen. Het smelt atomen samen en dat fusieproces is een kwantumfenomeen, en het is de oorzaak van een van de grote energie-uitdagingen die hier op aarde worden ondernomen, bekend als aanhoudende fusie. Dat is gewoon waterstof nemen en het combineren tot helium - als we dat op aarde kunnen doen binnen een magnetische opsluiting, dan hebben we een schone en hernieuwbare energiebron.

Er zijn in wezen onbeperkte hoeveelheden waterstof die kunnen worden gecombineerd, en helium is niet radioactief. We zouden dus veel energie kunnen produceren uit dingen die min of meer oneindig overvloedig zijn zonder afval in de vorm van radioactief materiaal te produceren. Dit is een droom waar natuurkundigen naartoe werken. Sommige van de grootste dingen in het universum zijn dus zeker kwantummechanisch, inclusief superzware zwarte gaten die energie kunnen verliezen door een kwantumfenomeen dat bekend staat als Hawking-straling.

Het tweede punt is dat men vaak denkt dat kwantum te maken heeft met zeer lage temperaturen. Nogmaals, om onze zon als voorbeeld te nemen:het is erg heet, maar dat is kwantummechanisch. Lage temperatuur is geen vereiste voor kwantum. Dit voorbeeld van een ster en de kwantumheid van het fusieproces en de hoge temperaturen die daarmee gepaard gaan - ik wil gewoon de kijk op wat kwantummechanica is en hoe alomtegenwoordig het is, verbreden.

Als we schrijven over het werk dat u en uw collega's doen, zijn er altijd toepassingen uit de echte wereld. Kun je iets vertellen over de manieren waarop kwantumfysici technologische vooruitgang buiten hun vakgebied stimuleren?

Ik zal een paar van mijn favoriete technologieën noemen. Een van de dingen die me echt opwinden over kwantumfysica is het gebruik ervan voor wat ik beschouw als 'forensisch' of kwantumforensisch onderzoek, als je wilt.

Omdat dingen als atomen discrete energieniveaus hebben, blijkt dat die kunnen worden gebruikt om atomen te identificeren. Als je de toegestane energieniveaus voor waterstof en de toegestane energieniveaus voor helium of een ander element vergelijkt, zijn ze anders. Als je ergens een gas van had, dan zou je kunnen bepalen welke atomen er in het gas zitten door te kijken hoe het licht absorbeert en uitstraalt. Dit is van grote praktische waarde als je geïnteresseerd bent in iets ver weg, zoals een planeet die rond een ster draait die niet van ons is.

Er is een fantastisch veld van exoplaneten die we ontdekken met behulp van krachtige telescopen, die deze planeten detecteren die tussen sterren en onze aarde bewegen. Onze telescopen - sommige zijn in de ruimte bevestigd aan satellieten met een ongelooflijke frequentieresolutie en gevoeligheid - zijn zo krachtig dat we kunnen kijken naar de dunne laag van de atmosfeer rond deze planeten en hoe het licht van de ster er doorheen gaat. Dan gebruiken we de techniek van spectroscopie en zien hoe het licht van de ster erachter wordt geabsorbeerd door de atmosfeer van deze planeet, die duizenden lichtjaren verwijderd zou kunnen zijn. Dus we kunnen detecteren welke atomen zich in de atmosfeer bevinden.

Dat is best interessant. Maar het gaat verder. We kunnen ook detecteren welke moleculen er zijn. Zitten er bijvoorbeeld twee waterstofatomen aan één zuurstofatoom? Met andere woorden, is er water in de atmosfeer? Moleculen hebben hun eigen spectroscopische signatuur. We kunnen dus echt detecteren of er water in de atmosfeer van sommige van deze planeten is, en dat is echt spannend.

Toch kunnen we nog een stap verder gaan. Als er temperaturen in het spel zijn, dan worden deze spectraallijnen, zoals ze worden genoemd, deze specifieke frequenties verbreed. Er is zoiets als een reeks frequenties waar je de absorptie en emissie ziet. En de hoeveelheid die het verbreedt, vertelt je over de temperatuur van een molecuul - met andere woorden, de temperatuur van de atmosfeer van deze planeten.

Het is verbazingwekkend dat we kunnen bepalen wat er in de atmosfeer van deze planeten is - planeten die voor mensen onmogelijk te bezoeken zijn. Dat, en we kunnen tekenen van leven zoeken, zoals, zijn er moleculen die we associëren met leven dat rondzweeft op deze planeten, tenminste als het aardachtig leven is; dan kunnen we misschien met enige waarschijnlijkheid vaststellen dat een planeet daarbuiten die geen mens ooit zou kunnen bezoeken, leven herbergt. Of misschien kunnen we andere kandidaat-levensvormen ontdekken. Dat is een voorbeeld dat behoorlijk inspirerend is, en het is uiteindelijk afhankelijk van de kwantumfysica en de techniek van spectroscopie.

Een ander voorbeeld dat volgens mij ook van groot belang is, is dat de kwantumfysica energiebronnen produceert die buiten het bereik van zonne-energie liggen. Dus als je een diepe ruimtesonde stuurt om naar de buitenste planeten van ons zonnestelsel te kijken, laten we zeggen Pluto (technisch gezien niet langer beschouwd als een planeet). Als je naar Pluto wilt kijken, stuur je een diepe ruimtesonde - het duurt jaren om daar te komen. Je vraagt ​​je misschien af, wat voor soort stroombron kun je hebben voor de computers op deze sonde, zodat je de prachtige foto's die we zien terug kunt sturen? Nou, je kunt er een batterij op zetten. Het gaat jaren duren om daar te komen, de ruimte heeft veel straling en de batterijen kunnen beschadigd raken; ze werken misschien niet goed wanneer ze worden gelanceerd door alle warmtevariaties die uit de atmosfeer komen, en de kou van de ruimte, enz. Dat is niet erg praktisch. Er is niet genoeg licht van de zon dat je met zonnepanelen kunt verzamelen om de computersystemen te laten draaien en beelden terug te sturen.

Dus hoe voeden ze de computers op deze diepe ruimtesondes? Wat ze gebruiken is straling. Ze gebruiken een radioactief materiaal en radioactiviteit is weer een ander kwantumproces, waarbij zware elementen vervallen tot lichtere elementen; wanneer ze dat doen, stoten ze delen van hun kern uit. Maar deze uitgeworpen delen van de kern dragen energie die kan worden opgevangen.

Er zijn materialen, waarvan sommige heel dicht bij dingen liggen waar ik aan werk, die thermo-elektrische materialen worden genoemd. Ze nemen gebieden met een hoge temperatuur en verbinden ze met gebieden met een lage temperatuur, en zetten dit hoog-laag temperatuurverschil om in een spanning, die dan werkt als een batterij. Als je eenmaal een spanning in een elektrisch systeem hebt, kun je nu stromen verplaatsen en een computer of elektrische circuits op min of meer normale manier bedienen.

Het is allemaal erg interessant. Het klinkt alsof kwantumfysica echt het fundamentele werk is dat nodig is om onze energie-infrastructuur te transformeren, naast andere technologieën. Is dat de juiste manier om erover na te denken?

Ja dat klopt. Dat is een goed punt - om na te denken over klimaatverandering en hernieuwbare energiebronnen en ook over technologieën die ons milieu niet vervuilen.

Als we even aan energie denken, zoals toen we het voorbeeld van fusie bespraken, wat een groene technologie is, ervan uitgaande dat we het kunnen laten werken. Als we afstand nemen van fusie, zijn er op dit moment andere technologieën die groen zijn. Neem windturbines. Wat hebben windturbines met kwantumfysica te maken? De manier waarop windturbines werken, is dat ze een magneet hebben die aan de propellers is bevestigd terwijl de wind ze draait, en het draaien van een magneet genereert een elektrische stroom. Zo wek je elektriciteit op:je draait een magneet in een spoel van draden.

Maar de vraag is:welke magneet moet je gebruiken? Dit is dus waar fundamenteel onderzoek - in feite onderzoek waar ik tot op zekere hoogte bij Northeastern bij betrokken ben - om de hoek komt kijken:nadenken over magnetische systemen die wenselijke eigenschappen zouden hebben voor toepassingen zoals windturbines.

Je moet een zeer robuuste magneet hebben die hoge temperaturen moet overleven, dat wil zeggen veel boven kamertemperatuur, omdat het daar warm kan worden als de zon erop schijnt. Het moet ook eigenschappen hebben die robuust genoeg zijn om alle spanningen en spanningen te overleven terwijl het in dit turbinesysteem ronddraait. Dat zijn zogenaamde harde magneten. Dus hoe ontwikkel je betere magneten? Dat is een kwantumvraag.

Als laatste gedachte vraag ik me af wat uw grote verwachtingen zijn voor uw onderzoek en voor het veld. Wat zou je tijdens je leven willen zien gebeuren, en zijn er vorderingen waar we aan de vooravond van staan?

Dat is een moeilijke vraag die iedereen in het veld stelt:wat zijn de vorderingen waar we echt aan de vooravond van staan? Een goed aangehaald voorbeeld is quantum computing. Het hebben van een kwantumcomputer zal niet elk computerprobleem oplossen waarvan iedereen kan dromen. Het blijkt dat kwantumcomputers bijzonder bedreven zijn in bepaalde soorten problemen, waar ze een zogenaamd 'kwantumvoordeel' kunnen bieden. Er zijn enkele specifieke problemen waarvoor kwantumcomputers nuttiger zijn; maar andere problemen kunnen misschien beter worden opgelost door conventionele supercomputers.

Dus een van de vragen in het veld is proberen een wat scherpere oplossing te bieden voor wat de specifieke problemen zijn waarmee kwantumcomputers ons kunnen helpen. Het is een evoluerend gebied, zoals wat het echte nicheprobleem is voor een kwantumcomputer. Ik denk dat wij allemaal die in het veld werken, het gevoel hebben dat er een aantal specifieke toepassingen zullen zijn, waarbij kwantumcomputers eigenlijk gewoon beter presteren dan al het andere - en iedereen wil hierbij betrokken zijn; iedereen betekent elke ontwikkelde natie. Iedereen wil deel uitmaken van deze volgende kwantumrevolutie, die niet alleen gaat over het ontwikkelen van kwantummechanica als een nieuwe wetenschap, maar het omzetten van kwantummechanica in zeer brede toepassingen. En computergebruik is slechts één van de gebieden op de voorgrond. + Verder verkennen

Quantumcomputer werkt met meer dan nul en één