Kvantefysikk i praksis

Fra teori til virkelighet

Omkring 1920 oppdaget fysikere at småtting — elektroner, fotoner, atomer — oppfører seg merkelig. I stedet for å gjøre hva fysikken forventet, fulgte de helt andre regler. I starten var det ren akademisk gymsalmatematikk. Men så fant noen ut at disse reglene kunne brukes til å bygge nye ting.

I dag, hundre år senere, er kvantefysikken ikke bare teori — den er fundamentet for hundrevis av milliarder kroner i verdiskapning. Alle halvledere, alle lasere, all optikk, og hele elektronikkindustrien er bygget på kvantemåling og kvantemekanikk.

Transistoren: Kvantefysikkens stivbarn

Transistoren er kanskje den viktigste oppfinnelsen i menneskehistorien. Den er en liten enhet som kan styre strømmen av elektroner ved å bruke kvantemekaniske effekter. En transistor kan være på eller av basert på kvanteeffekter — dette gir oss 1-ene og 0-ene som ligger bak all digital teknologi.

En moderne prosessor inneholder milliarder av transistorer, alle så små at kvantemekanikk blir kritisk. Faktisk, når transistorer blir så små som de er nå (målt i nanometer), kan ikke klassisk fysikk forklare hvordan de fungerer. Du trenger kvantefysikk. Uten transistorer ville moderne sivilisasjon ikke eksistere.

"Kvantefysikken er ikke noe valg — det er nødvendig for å bygge moderne elektronikk."

Lasere: Lys som styres av kvanter

En laser er et eksempel på kvantefysikk i praksis. Den fungerer ved å stimulere atomer så de sender ut lys i perfekt synkronisering. Dette skjer ved å bruke kvanteeffekter til å tvinge elektroner til å falle fra høyere energinivåer til lavere nivåer — og disse faller frigjør fotoner (lysmolekyler) i prosessen.

Lasere brukes i alt fra kirurgisk utstyr til CD-spillere til avstandsmålere til fiber-optikk som bærer internett. Alle disse applikasjonene er avhengige av at vi forstår kvantemåling av atomer.

Tall og trender

Kvantefysikken ligger bak økonomisk verdiskapning på trillioner av kroner årlig.

Kvanteeffekter i hverdagen

Når du lader smarttelefonen din, bruker batteriet kvantekermi. Når du bruker LED-lys, bruker du kvantefysikk. Når du gjør ultralydscanning, bruker du piezo-kristaller basert på kvantemekanikk. Når legen din bruker PET-scanning på sykehuset, bruker de antimaterie og kvanter.

Solceller konverterer sol til elektrisitet ved hjelp av kvanteeffekter — elektroner absorberer fotoner og blir eksitert til høyere energinivåer. Magnetiske resonance imaging (MRI) bruker kvantemagneter. Kort sagt: kvantefysikk er ikke abstract — den er stoff.

Neste revolusjon: Kvanteteknologi

Vi er nå i startfasen av en ny revolusjon — kvanteteknologi. Mens transistoren bruker enkel kvantemekanikk, planlegger forskere å bygge teknologi som fullt utnytter kvante-superposisjon og sammenfiltring. Kvantedatamaskiner, kvantefølere, og kvantekommunikasjon er alle på vei.

Det er ikke bare spekulasjon — firmaer som Google, IBM, Microsoft og Amazon investerer tunge penger. Norge har også kvantesenter ved universitetene våre. Om 20-30 år, kan kvanteteknologi gjøre dagens elektronikk like arkaisk som vi ser gamle radioer i dag.