Listor / Berzan / Luftmotstånd, grafen, supraledare, sammanflätning och kvantkryptering
Höghastighetsaerodynamik är en specifik gren inom flygteknik. Den kallas ofta kompressibel aerodynamik, för att vid dessa omständigheter kan inte luftens kompressibilitet försummas. Vid beräkningar av dessa flygningar anger man hastighet som ett machtal, machtalet är så många gånger den lokala ljudhastigheten ett föremål rör sig. Ljudets hastighet sjunker vid minskande lufttryck/densitet. Det vill säga ljudhastigheten är lägre på 10 000 meters höjd än vid jordytan. Hastigheterna kategoriseras som: underljudshastighet, transsoniskhastighet(nära mach 1), överljudshastighet och extrem överljudshastighet. Kompressibelt luftmotstånd är när beräkningar tar hänsyn till densitetsskillnader i luften kring ett föremål som rör sig. Till exempel när ett flygplan utsätts för turbulens, på grund av naturliga densitetsförändringar i luften, eller när ett flygplan åker så snabbt att luften framför planet komprimeras och där med för en högre densitet.
Grafen består av kolatomer som är bundna till varandra i en hexagonal struktur. Grafen är endast ett atomlager tjockt och därför benämns det som tvådimensionellt. Det är just den hexagonala strukturen samt tjockleken som gör grafen unikt. Materialet är 200 gånger starkare än stål och mycket lätt, genomskinligt, böjligt, elektriskt ledningsförmåga som överstiger alla andra material och inget annat ämne kan ta sig igenom ett grafenlager.
Det finns en mängd olika metoder för att producera grafen. På Linköpings universitet framställs grafen med hjälp av kiselkarbid. Kiselkarbid som är en blandning av kisel och kol hettas upp tills allt kisel har vaporiserats och endast kol finns kvar, kolatomerna kommer då att ordna sig så att de får grafen-struktur. Denna metod kallas CVD (Chemical vapor deposition) och används för att få fram väldigt rena material av hög kvalitet. Oftast används wafers, diskar av kisel som grund. En annan metod är att ”klippa upp” nanorör, som består av kol ordnat i samma struktur som grafen (”ihoprullat grafen”). När dessa har klippts upp kan de rullas ut och då har man ett grafenlager. Det går också att klyva grafen med hjälp av andra ämnen, grafenlagren kommer då att varvas med lager av det ämne som användes vid klyvningen. Sedan kan ultraljud användas för att utvinna grafenlagren. Ytterligare en variant är att upphetta kol till gas, gasen får sedan kondenseras på nickelkristaller. Det går också att lägga grafitoxid (förening av kol, syre och väte) på en DVD-skiva och bränna i en DVD- brännare, för att få fram grafenskikt med bra ledningsförmåga.
Grafen kommer förhoppningsvis att revolutionera tekniken inom olika områden. De stora problemen är att få det att fungera i teknik, det går att skapa transistorer och testa dem, få extrema resultat, men det är en annan sak att applicera dessa transistorer i vanlig teknik. Även tillverkningen är ett problem, grafen är visserligen ett ganska billigt ämne, det är kol, men det är svårt att tillverka grafen i stor skala på ett effektiv sätt lämpat för produktindustrin. Grafen har jämförts med plast och kisel. Plast revolutionerade samhället, ett material som kunde massproduceras och som kunde användas på otroligt många sätt, plast används än idag i alla möjliga produkter, från elektronik till påsar. Kisel är en av de faktorer som tillåtit elektroniken att gå framåt i allt snabbare takt, kisel finns i alla elektroniska produkter, i transistorer och kretsar, en stor del av alla människor i västvärlden går runt med en mobil i fickan som innehåller otaliga mängder små komponenter av kisel. Kisel och plast är saker som är extremt viktiga i vardagen, utan dessa skulle samhället se helt annorlunda ut. Det är inte helt säkert att grafen kommer att slå igenom, men om det gör det skulle det kunna påverka samhället i samma utsträckning som kisel och plast. Många energiproblem skulle lösas, spillvärme från elektriska produkter skulle minska avsevärt, all elektronik skulle bli snabbare och mer precis. Produkter skulle också bli lättare, ny teknik skulle kunna utvecklas, allting skulle helt enkelt kunna tas till nya nivåer. Dessutom verkar grafen vara ganska miljövänligt då det endast är kol, men forskning om huruvida det kan påverka kroppen och naturen skulle vara nödvändigt för att förhindra potentiella olyckor eller miljöförstöringar. I dagsläget har grafen inte revolutionerat samhället, men det har öppnat våra ögon för fler idéer och fört oss lite närmare teknik som än så länge bara existerar på pappret. Många företag som Intel, Samsung och Toshiba har redan satsat pengar på grafen och försöker utveckla grafenprodukter.
Ända sedan elektriciteten upptäcktes av Nikola Tesla och Thomas Edison, så har man vetat om att den inte kan fortsätta föras fram i evigheten utan trögas ner och till slut stoppas av resistansen i det material som det färdas i. Den resistans som finns i alla material och bestämmer hur bra elledare de är har alltid begränsad uppfinnarnas kreativitet och elektricitetens användnings områden. Om man på något sätt kunde få resistansen att försvinna kommer områdena öppnas upp och energiförluster att minimeras. Det kom sig så att 1911 så upptäcktes en metod av Heines Onnes att sänka olika materials resistans till noll, detta gjorde han genom att kyla materialen till nära den absoluta nollpunkten. Samtidigt upptäckte han att materialen fick konstiga magnetiska egenskaper. Senare kom dessa material att kallas för supraledare.
Enligt BCS-teorin som är den gällande teorin för supraledning hos typ 1 supraledare så måste två kriterium möttas för att en fasövergång ska ske från ett material till en supraledare, det är att temperaturen är lägre än materialets kritiska temperatur och att det ej finns ett magnetfält starkare än supraledarens kritiska magnetfält. Om kriterierna mötts så uppstår två effekter, resistiviteten blir i princip noll samt att Meissnereffekten visar sig. De uppstår på grund av att när den kritiska temperaturen mötts så är energin i materialet tillräkligt låg för att det ska kunna bildas cooperpar av elektroner, när det händer slutar de att interagera med andra elektroner och protoner och kan passera fritt igenom materialet vilket är varför resistiviteten är noll. När det har hänt så kommer naturliga strömningar i materialet att ge upphov till ihållande ström i ytan av materialet vilket leder till ett utåt riktat magnetfält.
Det är svårt att förklara exakt hur en supraledare fungerar då mycket kräver god kännedom av fysik av mycket avancerad nivå och likaså matte men för att hålla det enkelt så är det lättast att ytterligare förklara resistansen i en supraledare. Vanligtvis så finns det i alla material olika strukturer och oregelbundheter som hindrar elektroners framfart i materialet och det ger upphov till det vi kallar resistivitet. När cooperpar bildas i låga energier så tar det på sig boson-liknande egenskaper så som beskrivs Bardeen et al. det betyder att de kan innefatta samma plats i rymdtiden som andra elektroner och protoner och köra rakt igenom dem utan att krocka och bytta riktning. Då uppstår en resistans fri ström som ej förloras över tid.
Som Eriksson berättade så kommer supraledare ta en allt mer större roll i elektronik och speciellt i eltransport sektorn då man i supraledare kan transportera elektricitet över ofantliga avstånd utan några förluster av energi som idag är ett allt större problem. Med intrång i dator kommer fläktar helt att försvinna och det kommer bli allt snabbare men datorer är ej den enda elektroniska produkten som kan använda supraledare, i princip kan varje produkt som inte är menad att skapa värme en potential användare för att minska energi förbrukningen. Att använda supraledare som transportmedel diskuteras också idag väldigt mycket, att man då alltså skulle använda det i räls för att få blixtsnabba tåg som utan någon som helst friktion kan sväva över rälsen uppehållen av supraledare och dess Meissnereffekt. Det finns redan användningsområden för supraledare så som MRI men dessa kommer utökas drastiskt desto högre temperaturer som nås av supraledare som består av användbara material. Om man ska spekulera så vill man gärna tro att det kommer få stora framgångar och få många användningsområden inom rymdindustrin då energibesparning m.m. är viktigt för att avancera mänskligheten ut i rymden. Man kan till exempel gissa att det går att använda de magnetiska krafterna hos supraledare för att skjuta ut mindre nyttolaster ut i rymden från jorden på ett billigt sätt genom att använda en slags ”rail-gun” kanon. Men för tillfället så kan man ej använda det till mycket på grund av hur ineffektivt det är för tillfället kostnadsviss då det kostar mycket att hålla de nerkylda och att det inte alltid går, därför måste vi vänta till bra lätt hanterliga material som är supraledare i rumstemperatur hittas. Som Heines Onnes alltid sade ”Kunskap genom mätning”.
Kvantmekanisk hoptrassling kom som sagt ur kvantmekaniken då Einstein ville falsifiera den (även om han själv varit en av utvecklarna genom den fotoelektriska effekten). De ekvationer som belystes under falsifieringseran var de som påvisade att subatomära partiklar kunde utbyta information utan att ha någon förklarlig koppling till varandra. Detta blev så klart ett problem i en era då det statiska var standarden. Att saker och ting helt plötsligt kunde vara på flera platser samtidigt och gå bakåt i tiden och därmed bryta entropins lagar var helt och hållet absurt. Detta var egentligen Einsteins problem med teorin, han kunde inte acceptera något som han inte förstod vilket man inte kan ha som basis när det gäller någonting så komplext som detta. Vad än världens mest välkända fysiker har att säga om saken så måste det erkännas att hoptrassling fungerar, oavsett om det hänger ihop eller inte.
Hoptrassling fungerar så att partiklar som skapas i par eller blir instängda i ett ”rum” ihop sammankopplar sina kvantmekaniska egenskaper med varandra. Detta gör att de båda får precis samma värden vad det gäller energi och hastighet. Det samma gäller deras spinn, dock är den konstant inverterad. Det innebär alltså att om den ena partikeln ”pekar” åt höger, pekar den andra åt vänster. Och det är genom den mytomspunna hoptrasslingen som detta utbyte äger rum. Men hur går det till? Det korta svaret är att ingen ännu vet. Enligt kvantmekaniken måste det finnas ett medium där de två partiklarna kan kommunisera med varandra i, ett så kallat fält. Undersökningar visar att det inte agerar genom någon av de fält som klassisk fältteori förklarar. Detta innebär alltså att det för tillfället endast kan skapas matematiskt filosofiska teser om nya fält som kan förklara kopplingen. Klassisk fältteori är en teori som beskriver elektromagnetiska fenomen. Det finns två specialfall. Det första är elektrostatisk, där laddningarna är orörliga och den andra magnetostatik, där strömmarna är konstanta.
Eftersom detta fortfarande är en del av kvantmekaniken så hänger en fundamental princip med, Heisenbergs osäkerhetsprincip. Ingen kan alltså mäta partiklarnas hastighet utan att tappa kontrollen över deras position och så vidare. Så eftersom mätningar påverkar systemet enligt ”Köpenhamnsprincipen”, vilket innebär att vågfunktionen kollapsar till en klassisk partikel, så är det alltså forskarna som bestämmer hur de båda partiklarna ska bete sig vid en given tidpunkt. Partiklarna är alltså överallt och har alla möjliga värden innan vi mäter dem. Detta kan dock utnyttjas, men mer om det senare.
Det som är absolut märkligast med hoptrassling är hastigheten med vilken överföringarna går till. Det verkar ske omedelbart. Om ingen tid passerar innebär det att hastigheten måste vara oändligt stor. Men eftersom den högsta möjliga hastigheten i det observerbara universumet är ljusets hastighet så innebär detta att det ur klassisk synvinkel är omöjligt. Dock är det bevisat att det sker, så hur går det ihop? En teori är fler-dimensions-världen vilket tillåter detta att ske men återigen kan denna teori ännu inte bevisas. Det kan även tilläggas att detta innebär att det kommer ske omedelbart oavsett avstånd, just på grund av oändlig hastighet. Och eftersom en mätning av den ena partikeln kvantstatus bestämmer detta innebär det att den andra partikelns status samtidigt bestäms av nämnda mätningar.
Forskare vid MIT har skapat världens första kvantdator. Den opererar nästan som en vanlig dator men istället för ”bits” använder den sig av ”Q-bits”. Den använder alltså hoptrasslingens förmåga att överföra information mellan två rum omedelbart utan ett märkbart medium. I en klassisk dator, som i och för sig också agerar genom kvantmekanik, så måste ”bitarna” (elektronerna) leta efter den väg som utför det kommando de har fått av användaren. I en kvantdator som opererar via hoptrassling så kan dock separata partiklar utanför systemet tala om vart elektronerna ska så det slipper leta upp vägen. Detta kan verka trivialt om man observerar separata elektroner, då hastigheten är otroligt stor i båda fallen. I alla de kommandon som utförs vid vanlig datoranvändning samt alla de färdmöjligheter elektronerna har i ekvationen så blir ”Q-bit”- varianten klart överlägsen.
Det ska dock tilläggas att den kvantdator som nu utvecklas är såpass primitiv att den kan jämföras med ENIAC. Ytterligare forskare som arbetar vid kanarieöarna har lyckats teleportera en foton mellan två separata öar via hoptrassling. De skapade två fotoner som blev hoptrasslade. Sedan separerades dessa två fotoner till två olika öar, La Palma och Teneriffa. Därefter så tog de in en tredje foton via en klassisk kanal vid en av de två öarna och förde in den i systemet. Det som då hände var att fotonen på den andra ön antog de värden som den tredje fotonen hade haft och utplånade sammanflätningen mellan sig och sin originalpartner. På så sätt har alltså forskarna teleporterat informationen utan att någon fysisk massa eller energi har flyttat sig. Det skall även påpekas att avståndet var 143 km och att ingen tid (åtminstone ingen de lyckades mäta) fortlöpte.
Eftersom ingen ännu har kunnat förklara detta utan att gå till spekulationer och ”konspirationer” så är ett vanligt förhållningssätt till ämnet ”Håll käft och räkna!” vilket introducerades av Richard Feynman. Det kan tilläggas att det var mer andan än ett verkligt citat.
Att på ett säkert sätt överföra information har alltid varit av stort intresse, inte minst sedan Internet uppfanns. För att säkert kunna dela information via Internet krypteras den. I dagsläget är RSA-kryptering den mest etablerade krypteringsmetoden. RSA-kryptering är baserad på numeriska beräkningar och använder två nycklar, en offentlig och en hemlig nyckel. Den offentliga nyckeln används för att kryptera med- delandet och det kan sedan endast dekrypteras med hjälp av den hemliga nyckeln. Det är mottagaren som själv bestämmer bägge nycklarna och gör sedan endast den offentliga nyckeln känd. Respektive nyckel består av ett stort primtal och tillsam- mans utgör de en produkt av två stora primtal, för att knäcka krypteringen måste denna produkt primaltalfaktoriseras. Att primtalfaktorisera stora tal är något som kräver stor datorkapacitet men det är inte omöjligt.
Under de senaste årtionden har kvantdatorer blivit verklighet och deras utveckling pågår ständigt. I kvantdatorer används kvantbitar (engelska quantum bit, qubit) som grundläggande enhet. Det speciella med kvantbitarna är att de kan anta värdena: noll (0), ett (1) eller båda samtidigt. Denna egenskap hos kvantbitarna möjliggör bland annat snabbare beräkningar, dock behövs speciella algoritmer för detta. Ett exempel på en sådan algoritm är Shors algoritm som bland annat primtalfaktoriserar heltal, vilket kan hota säkerheten hos RSA-kryptering. RSA-kryptering kommer att bli knäckt när det finns kvantdatorer som kan använda sig av tillräckligt många kvantbitar. Men det finns andra sätt att kryptera information, till exempel genom så kallad kvantkryptering som diskuteras i den här rapporten. Kvantkryptering använder en kombination av engångskrypto (engelska one-time pad, OTP) och kvantnyckelfördelning (engelska quantum key distribution, QKD) och är omöjlig att knäcka. Kvantnyckelfördelning använder olika tillstånd hos fotoner för att representera nollor och ettor i den hemliga nyckeln. Det vanligaste är att använda deras polarisation. Den stora fördelen med att använda kvantnyckelfördelning är att avlyssning påverkar systemet som sedan kan upptäckas genom analys av de olika parternas information. Detta tack vare några av de fundamentala lagarna hos kvantmekanik: Heisenberg’s osäkerhetsprincip, superposition, icke-kloningsteoremet och kvantmekanisk sammanflätning.
Kvantkryptering har stor potential men i nuläget finns stora begränsningar och hinder. Systemen är bland annat dyra och idag används ofta optiska fibrer för att skicka fotoner i, vilket reducerar räckvidden. Ett stort framsteg inom kvantkommunikation skulle vara om man kunde använda kvantkryptering för kommunikation mellan stationer på jorden och satelliter, och vice versa.
Publiceringsdatum: 2014-05-14