När man lyssnar på Esko Keski-Vakkuri, universitetslektor i teoretisk fysik, blir världsbilden mer osäker.
– Jag bedriver grundforskning och i grunden är det fråga om att förstå naturlagarna bättre. Det finns många öppna frågor. Även om kvantmekaniken och den allmänna relativitetsteorin i gravitationen upptäcktes redan förra århundradet har man inte lyckats förena dessa två, säger Esko Keski-Vakkuri.
Esko Keski-Vakkuri forskar i kvantteorin om gravitation, som är en av fysikens öppna frågor. Det påverkar inte vårt vardagliga liv, såvida du inte vill veta vad som händer när du stiger in i ett svart hål. Om detta finns flera olika teorier. När du kliver över kanten till ett svart hål märker du antingen inget alls eller så hamnar du i ett eldhav. Det som det råder enighet om är att det inte går att ta sig därifrån.
Utöver svarta hål behövs gravitationens kvantteori också när man försöker komma underfund med hur universum kom till. Följer man utvecklingen bakåt från big bang så kommer man fram till att avstånden i början är noll, vilket innebär att gravitationen är mycket stark och kvantfenomenen tar över.
I fysiken söker man lösningar på öppna frågor med så kallade leksaksmodeller. Ett exempel på en leksaksmodell är den matematiska modell som utforskats av professor i matematik Antti Kupiainen och hans forskningspartner. Genom modellen lyckades forskarna lösa en del av den förenade teorin om gravitation och kvantmekanik med matematisk precision. Antagandet var dock att tidsrymdens dimensioner är två och inte fyra, som i verkligheten. Detta var ett betydande framsteg, och år 2022 fick de det prestigefyllda priset George Pòlya Prize in Mathematics.
Tänk om sammanflätning är det som håller ihop universum?
Nobelpriset i fysik 2022 delades ut till forskare i sammanflätning. Alain Aspect, John Clauser och Anton Zeilinger lyckades experimentellt testa en teori som Einstein kallade för spöklik avståndsverkan, dvs. ”spooky action at a distance”. Kvantmekanisk sammanflätning är lättare att förstå om man utgår från ett enkelt exempel.
– Vi har två sammanflätade partiklar och vi gör en mätning som kan ge 0 eller 1 som resultat. Vi vet inte någotdera mätresultatet, men om man mäter den ena partikeln och resultatet är noll, så vet man på grund av att partiklarna är sammanflätade helt säkert vilket resultatet kommer att bli för den andra partikeln, även om den andra partikeln skulle vara på månen, beskriver Keski-Vakkuri.
De verkliga objekten innehåller miljarder partiklar, och vi vet inte hur många olika sätt de kan vara sammanflätade. I rymden är punkterna ännu fler, vilket gör att sammanflätningen kan vara oändlig, men det är inte ett tillfredsställande svar.
Keski-Vakkuri berättar att det för 15 år sedan framlades en hypotes om sammanflätning (Mark van Raamsdonk är en av upphovsmännen till idén), att gravitationsteorin bara är en följd av sammanflätning. Sammanflätning är det lim som förenar rymdtiden och gravitationen är en beskrivning av något ännu mer grundläggande.
Här börjar kalkylerna bli invecklade. Kvantdatorerna väntas ge datorkraften ett språng.
Graduskribent utvecklade en ny mätalgoritm för kvanttillståndet
Kvantdatorer är baserade på kvantmekanik, som är en fysisk teori. Många teoretiska fysiker har kommit att utforska kvantdatorer i och med att de ursprungligen har studerat problemet med information i svarta hål. För att kunna utveckla en kvantdator krävs programmerare och ingenjörer, men även matematiker och fysiker.
Kvantdatorn ger rätt svar med en viss sannolikhet. Svaret avläses genom mätning av avslutande tillstånd. Beräkningsprocessen och mätningarna upprepas i flera omgångar tills ett korrekt svar kan identifieras med tillräcklig säkerhet. En viktig del av processen är felkorrigeringen: tack vare den kan beräkningen göras på ett tillförlitligt sätt i tillräckligt lång tid.
– Felkorrigering i kvantberäkning är det område där teoretiska fysiker har gjort mycket värdefullt arbete, säger Keski-Vakkuri, som undervisar i kvantfysik vid Helsingfors universitet.
I magisterprogrammet för teoretiska och beräkningsmässiga metoder behandlas bland annat användningen av kvantdatorer och utmaningarna med utvecklingen av dem.
På kursen studerade Otto Veltheim, som fortsatte med att skriva en pro gradu-avhandling om kvanttillståndets mätalgoritmer. Syftet var att utforska de algoritmer som stod till buds, men Veltheim utvecklade en ny algoritm och fortsätter att testa den i sin doktorsavhandling vid Helsingfors universitets avdelning för fysik. Du kan läsa avhandlingen på webben: Otto Veltheim: Quantum State Tomography with Observable Commutation Graphs.
Esko Keski-Vakkuri arbetar också vid InstituteQ, som är ett nätverk som universitetet grundade 2021 i samarbete med VTT och Aalto-universitetet, för närvarande finansierat av universiteten, VTT och Finlands Akademi. Nätverket främjar forskning, utbildning och kommersiell tillämpning av kvantteknologi i Finland.