På 1930-talet formulerade nobelpristagaren Erwin Schrödinger ett berömt tankeexperiment baserat på kvantfysikens lagar. Det handlar om en katt som är både levande och död på samma gång. Tanken är för de flesta absurd, men i kvantfysikens värld vore det inget konstigt alls – för partiklar som elektroner är det helt normalt att befinna sig i flera tillstånd eller på flera platser samtidigt. Fenomenet kallas för superposition.

Men i vardagslivet ser vi aldrig katter, eller något annat, i superposition.

– Kvanttillstånd som superposition är väldigt känsliga. Även mycket små störningar, som värmestrålning eller knuffar från molekyler i luften, får dem att kollapsa. Det antas generellt vara orsaken till att vi inte ser dem på vår makroskopiska skala, förklarar Witlef Wieczorek.

Men helt säker går det inte att vara. Än idag har ingen lyckats förena kvantfysiken – som regerar i den lilla världen – med gravitationen som styr i den stora världen. Därmed skulle det eventuellt kunna finnas en okänd mekanism som sätter käppar i hjulet för kvantfysiken när storleken ökar.

– Därför är det intressant att undersöka kvantfysikens övre gräns. Hur stora föremål kan vi försätta i kvanttillstånd som superposition?

Supraledande kula ska ge nytt rekord

Det nuvarande rekordet, som sattes 2019 av forskare i Wien, är en molekyl bestående av två tusen atomer. Med anslaget som Wallenberg Academy Fellow ska Witlef Wieczorek nu försöka slå det rekordet, med ett tio miljoner gånger tyngre objekt – en mikrometerstor kula. Kulan är supraledande, alltså leder ström helt utan motstånd.

– För 20–30 år sedan skulle ingen drömma om att försöka få något så stort i superposition, det verkade omöjligt. Men nu jobbar vi med ett helt nytt experimentellt koncept, och på pappret ser det ut att kunna fungera.

Redan under sin doktorandtid i Tyskland arbetade han med att kontrollera och manipulera kvanttillstånd – då hos fotoner, alltså ljuspartiklar. En höjdpunkt var när han lyckades sammanlänka hela sex fotoner i ett gemensamt superpositionstillstånd – på den tiden en bedrift i forskningens absoluta framkant. Senare, som postdoktor i Wien, fick han upp ögonen för att arbeta med större objekt.

– Det fascinerar mig att kunna kontrollera kvanttillstånden hos objekt som är så stora att vi kan se dem, i varje fall i mikroskop.

Isolerad från omvärlden

Utgångspunkten i hans Academy Fellow-projekt är att i så hög grad som möjligt minimera alla kända störningar som kan få objektets kvanttillstånd att kollapsa. I den nya experimentella plattform som Witlef Wieczorek och hans forskargrupp håller på att utveckla ska den supraledande kulan därför sväva i vakuum i extremt låg temperatur.

“Det är en stor ära och betyder mycket för mig att Stiftelsen ger mig det här förtroendet. Det ger mig möjlighet att bedriva ett spännande och långsiktigt högriskprojekt.”

– På så sätt frikopplar vi den så gott det går från omgivningen. Vakuumet minimerar antalet gasmolekyler som kan dunsa in i den och den låga temperaturen minimerar värmestrålningen.

Forskarna får kulan att sväva med hjälp av magnetfält. Genom att utforma magnetfältet som ett landskap med en tydlig dal, ett minimum, kan de dessutom noga kontrollera kulans position – den lägger sig nämligen till vila i botten av minimumet. Sen återstår att få den att befinna sig på två ställen samtidigt, i superposition.

– Här drar vi nytta av tekniken som utvecklats för kvantdatorer här på Chalmers, säger Witlef Wieczorek.

Noll och ett på samma gång

En kvantdators grundläggande byggsten, kvantbiten, har två olika tillstånd som motsvarar värdena noll och ett hos en informationsbit i en vanlig dator. Till skillnad från i vanliga datorer kan kvantbiten försättas i en superposition av de två tillstånden, så att den är både noll och ett på samma gång. Den typ av kvantbitar som används på Chalmers kan dessutom modifieras så att de påverkar magnetfält.

– Genom att koppla en kvantbit till vår experimentella plattform kan vi manipulera magnetfältet och därmed positionen för det svävande objektet.

Är kvantbiten i tillstånd noll flyttar den magnetfältets minimum lite grann åt ena hållet, är den i tillstånd ett flyttas minimumet åt andra hållet. Kulan, som vilar i minimumets botten, följer med. När forskarna sedan försätter kvantbiten i en superposition av tillstånden noll och ett, så kommer minimumet att vara på två ställen samtidigt och kulan hamnar därmed i superposition. Om kvantfysiken fortfarande gäller, vill säga.

– Det skulle glädja mig mycket att få demonstrera att kvantfysiken håller också för så här stora objekt. Det är verkligen av fundamentalt intresse inom fysiken. Men det skulle också öppna för möjligheten att vidareutveckla vår experimentella plattform till en extremt känslig sensor för precisa mätningar av acceleration och position, säger Witlef Wieczorek.

Text Ingela Roos
Bild Henrik Sandsjö, Marcus Marcetic