Brug af steampunk til at forklare kvantefysik

Hvad har kvantecomputere at gøre med smogfyldte gader i London, flyvende ubåde, veste, underkjoler, Sherlock Holmesianske mysterier og messingbriller?

En hel masse, ifølge Nicole Yunger Halpern. I sidste uge sluttede den teoretiske fysiker sig til Jacob Barandes, meddirektør for kandidatstudier for fysik, for at diskutere hendes nye bog, "Quantum Steampunk:The Physics of Yesterday's Tomorrow." I den dissekerer Yunger Halpern en ny gren af ​​videnskaben - kvantetermodynamik eller kvantesteampunk, som hun kalder det - ved at fusionere steampunk-fiktion med faglitteratur og victoriansk æra termodynamik (varmen og energien, der får dampmaskiner til at pumpe) med kvantefysik. Yunger Halpern præsenterer en finurlig linse, hvorigennem læserne kan se en "videnskabelig revolution, der sker i realtid," sagde Barandes og udforskede mysterier, som selv Holmes ikke kunne håbe på at løse, såsom hvorfor tiden kun flyder i én retning.

"Denne sammensmeltning af gammelt og nyt skaber en vidunderlig følelse af nostalgi og eventyr, romantik og udforskning," sagde Yunger Halpern under en virtuel Harvard Science Book Talk præsenteret af University's Division of Science, Cabot Science Library og Harvard Book Store. I steampunk fortsatte hun, "fans klæder sig ud i kostumer fulde af højhatte og beskyttelsesbriller og gear og samles til konventioner. Hvad de drømmer om, har jeg det enorme privilegium at have mulighed for at leve."

Yunger Halpern, en stipendiat fra Joint Center for Quantum Information and Computer Science og en adjungeret adjunkt ved University of Maryland, bruger steampunk, som forener victoriansk stil og futuristisk teknologi, til at introducere læserne til kvantetermodynamikkens komplekse og fantastiske verden. Det nye felt kombinerer kvantefysik, informationsvidenskab og energividenskab for at studere nye måder at drive biler på, oplade batterier, kryptere information og seje kvantecomputere.

"Hvordan kan vi udvide den victorianske teori om termodynamik fra store dagligdagssystemer, såsom dampmaskiner, til små kvante- og informationsbehandlingssystemer?" spurgte Yunger Halpern og svarede så:"Vi rækker tilbage til fortiden og går mod fremtiden."

For at guide deres samtale fokuserede Barandes på Yunger Halperns evne til at forklare tætte kvantebegreber med indfald. Mens "Quantum Steampunk" for det meste er faglitteratur, introducerer Yunger Halpern hvert kapitel med en fiktiv fortælling i steampunk-stil, med karakterer med navne som Audrey og Baxter. Det er ikke kun videnskabelige overløbere fra victoriansk tid, der flyver rundt i dirigibles og roder med tidsmaskiner; de er steampunk-versionerne af Alice og Bob – aliaser, som forskere almindeligvis giver til kvantepartikler for at gøre deres adfærd lettere at beskrive.

For at introducere sit felts mange abstrakte definitioner skabte Yunger Halpern et menageri af metaforer. For eksempel sammenligner hun svage kvantemålinger – brugt til at undersøge et kvantesystem uden at forstyrre det – med en kolibri, "der går meget blødt ned på din skulder," sagde Yunger Halpern.

For det integrerede begreb om entropi stolede Yunger Halpern på endnu en fugl - Edgar Allan Poes ravn, for at være præcis. Entropi er ganske enkelt et mål for usikkerhed. I kvantefysikkens meget lille område må videnskabsmænd skille flere entropier eller usikkerheder ud for at udøve kontrol over kvantepartikler. I større systemer med flere partikler, som dampmaskiner, betyder færre og færre entropier.

"Det mindede mig om en del af "Ravnen," sagde Yunger Halpern, før han sprang ind i en recitation af flere strofer af Poes berømte digt. "Alle hans drømme, mareridt, frygt og rædsler kollapsede på denne ene ravn," hun sagde. "Det er måske en udefrakommende måde at sige, at alle disse kvanteentropier kollapser til kun én i konventionel termodynamik."

Før han stillede sit næste spørgsmål, sprang Barandes ind for at fortsætte, hvor Yunger Halpern slap, og reciterede en anden strofe af "Ravnen" med næsten kvantehastighed. ("Min kone himler med øjnene," sagde han, da Yunger Halpern ved diskussionens afslutning foreslog, at de skulle gå sammen om en længere recitation til Poesi-måneden.)

Barandes bad også Yunger Halpern om at spekulere i fremtiden for kvantecomputere, og hvornår de kunne blive globale. Sådanne maskiner kan gøre mere for mindre, sagde Yunger Halpern, hvilket betyder, at de kan beregne langt mere komplekse problemer, hurtigere og med færre ressourcer end klassiske computere.

Tidligere i sit foredrag viste Yunger Halpern et foto af en moderne kvantecomputer, der ligesom en god steampunk-maskine lignede et minutiøst væv af sarte metaller. Men den ting, forklarede hun, var bare computerens køleskab; kvantecomputeren var en lille, sårbar chip placeret i midten, ligesom kronjuvelerne i Tower of London.

Mens de stadig er et par årtier væk, sagde Yunger Halpern, at kvantecomputere kunne afkode trafikstrømme eller næsten uigennemtrængelig kryptering. Men, sagde hun, "ikke alle problemer er velegnede til kvantecomputere. For eksempel anbefaler jeg ikke at betale din skat på én." Og selvom hun ikke forudser en af ​​disse analytiske giganter på alle hjemmekontorer, erkendte hun, at nutidens fysikere har gjort opdagelser, som grundlæggerne af kvanteteori troede umulige.

"Jeg håber virkelig," sagde Yunger Halpern, "at kvantecomputere forbedrer vores liv på måder, vi ikke kan forestille os i dag." Eller for at låne fra Poes victorianske vers, hun havde reciteret få minutter før:"Jeg stod der … og drømte drømme, som ingen dødelig nogensinde har turdet drømme før." + Udforsk yderligere

Forskningsgruppe beviser, at kvantekompleksitet vokser lineært i eksponentielt lang tid

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. Besøg Harvard.edu for yderligere universitetsnyheder.