Prismodtager 2025 | Klaus Mølmer

Hvad forsker du i?

Jeg forsker i den kvantemekaniske opførsel af mikroskopiske fysiske systemer og blandt andet i hvordan moderne teknologier kan gøre brug af deres besynderlige kvanteadfærd. I kvanteverden beskriver vi partikler, som om de er bølger og tilsyneladende er flere steder på samme tid. Men kun indtil man måler på dem eller forstyrrer dem, for så ’kollapser’ de og bliver ligesom klassiske partikler.

Når jeg er i mit filosofiske ringhjørne, forsker jeg i de grundlæggende egenskaber ved disse kollapser. Når jeg er i mit praktiske ringhjørne forsker jeg i strategier til at undgå dem. Eller endnu bedre, at udnytte dem til forskellige formål.

Jeg er teoretisk fysiker i en spændende tid, hvor vi kan fastholde og styre atomer, både enkeltvist og i grupper på rad og række, og hvor vi kan bygge elektriske og mekaniske komponenter, som opfører sig efter kvantemekanikkens love. Det har affødt ideer om nye teknologier, for eksempel kraftige kvantecomputere og følsomme kvantesensorer. Et vidunderligt forskningsfelt med brug for indspil fra begge ringhjørner i min forskning.    

Hvad er udfordringerne ved og perspektiverne for din forskning?

Kvantecomputeren bygger ikke sig selv, og den forbliver science fiction, hvis vi ikke får has på en række teknologiske og teoretiske udfordringer. Særlige udfordringer skyldes kvantesystemers tendens til at ’opføre sig klassisk’ ved den mindste kontakt med deres omgivelse og kvantemekanikkens formelle struktur, som forbyder at måle på systemer uden at forstyrre dem, og hermed forhindrer os i at lave sikkerhedskopier af kvantetilstande på samme måde som med normale data. Min forskning vedrører præcis beskrivelsen af kvantesystemer, der vekselvirker med deres omgivelser og udsættes for målinger. Og den går derfor hånd i hånd med, at ingeniører og eksperimentalfysikere skaber bedre komponenter i laboratoriet.

Den måske største udfordring er, at kvantemekanikkens ’måleproblem’ gør, at selv en perfekt kvantecomputer kun vil kunne løse ganske specifikke problemer. Niels Bohr sagde om kvantemekanikken: ’Skulle vi en dag vågne op og indse, at det hele blot var en drøm, da havde vi alligevel lært noget’. Det gælder også forskningen i kvanteteknologier, og med afsæt i de fysiske mekanismer håber jeg at kunne udvide perspektiverne for, hvad vi vil, og hvad vi kan med kvantecomputere og andre kvanteteknologier.

Hvordan opstod din interesse for dit forskningsfelt?

Jeg havde afsluttet mit speciale ved Aarhus Universitet og havde modtaget et ph.d.-stipendium til at studere elektroners dynamik i atomare kollisioner. En dag faldt jeg tilfældigt over en forskningsartikel om et kvantefænomen ved målingen af lys. Den var så spændende, at jeg straks måtte trawle litteraturen igennem om den såkaldte kvanteoptik, som jeg ikke havde mødt i min uddannelse.

Kvanteoptikken tiltrak mig ved at være drevet af originale og overraskende spørgsmål, som ikke umiddelbart blev besvaret af lærebøgernes metoder og formler. Jeg kunne her se en hel ny fysik, mens den blev skabt. Jeg fik generøs opbakning af min ph.d.-vejleder, Knud Taulbjerg, til at skifte emne, og med hjælp og råd fra Ove Poulsen, som var professor ved Aarhus Universitet, fik jeg etableret et længere udlandsophold i Paris. Her deltog jeg i forskning i kvanteoptik og laserkøling, og jeg fik et fagligt netværk og venner for livet. Til mit store held kom kvanteoptikken til at sætte dagsordenen for både nationale og internationale forskningsinitiativer i 1990’erne, og den er kommet til at udgøre kernen i forskningen i kvanteteknologier frem til i dag.

Hvad er de største erkendelser eller opdagelser, du hidtil har gjort

Min største opdagelse, som jeg gjorde i samarbejde med franske kolleger, er en metode til at beregne tidsudviklingen af et kvantefysisk system udsat for tab og henfald. I modsætning til lærebøgernes ligning for en såkaldte tæthedsmatrix kunne vi simulere tidsudviklingen med stokastiske bølgefunktioner. De fylder mindre i computerens hukommelse (n i stedet for n2, hvor n ofte er et stort tal), og metoden er standard i flere moderne lærebøger og numeriske programbiblioteker.

Vi udledte metoden ved et tankeeksperiment, hvor vi antog, at den tabte energimængde kunne måles i systemets omgivelser, og metoden giver faktisk en matematisk genfødsel i den moderne kvantemekanik af Niels Bohrs kvantespring. Med forskellige beskrivelser af målingerne på omgivelserne udspilles en række af de paradokser, som Einstein fremsatte for at udfordre Bohrs fortolkning af kvantemekanikken. Københavnerfortolkningen står skansen – nu med formler!

Gennem årene har jeg og mine kolleger regelmæssigt opdaget nye aspekter og anvendelser af teorien. For eksempel beskriver vores teori faktisk systemer under konstant observation, for eksempel følsomme kvantesensorer. Vi har også kunnet definere begrebet bagklogskab i kvanteverden: ’Hvad ved jeg om et kvantesystems tilstand på et givet tidspunkt på basis af senere målinger på systemet?’ Svaret på det spørgsmål har vi eftervist med eksperimentatorer i Frankrig og USA, og sammen med kolleger i Kina vi har vi det seneste år demonstreret dets anvendelser til præcisionsmålinger.            

Hvad betyder det for dig at modtage Carlsbergfondets Forskningspris?

Jeg er både beæret og bevæget over at modtage Carlsbergfondets Forskningspris. Min dejlige familie er mit anker i tilværelsen, men gennem hele min faglige karriere har det været vigtigt for mig at betragte mine nærmeste kolleger som mine venner.  Det, at kolleger har indstillet mig til Carlsbergfondets Forskningspris, ser jeg som en varm bekræftelse af dybden af vores faglige fællesskab og en påmindelse om de bedste sider af mit arbejdsliv.  

Jeg har haft det privilegium at vejlede mange studerende og yngre forskere, hvis projekter har givet spændende resultater og altid givet mig nye erkendelser. Jeg har altid tilstræbt, at mine yngre kolleger skulle forfølge deres egne ideer, og jeg har været taknemmelig over at være en del af deres forskningskarriere. Jeg vil derfor gerne betone, at det er for en fælles indsats - og i høj grad for deres arbejde - at jeg tildeles Carlsbergfondets Forskningspris.