Der er en grænse for, hvor langt vores almindelige intuition rækker. Vi er vant til en verden, hvor ting befinder sig ét sted ad gangen. En bold ligger enten på bordet eller på gulvet. En bil kører enten gennem den ene gade eller den anden. Og hvis vi kender en genstands position og fart præcist nok, forestiller vi os, at vi i princippet kan regne ud, hvor den befinder sig et øjeblik senere. Sådan opfører naturen sig bare ikke, når vi bevæger os langt nok ned i størrelse.

Nede blandt atomer, elektroner og lyspartikler gælder nogle andre regler. Det er ikke, fordi fysikerne endnu ikke har fundet ud af, hvordan den verden fungerer. Tværtimod. Kvantemekanikken er en af de mest præcise og gennemprøvede teorier, videnskaben nogensinde har udviklet. Problemet er snarere, at det, den fortæller os, strider imod næsten alt det, vores erfaring siger burde være muligt.

En elektron er for eksempel ikke bare en mikroskopisk kugle, der flyver rundt om en atomkerne som en planet omkring Solen. Den kan opføre sig som en partikel, men også som en bølge. Den kan beskrives som fordelt over flere mulige steder. Og før vi måler den, kan vi ikke nødvendigvis sige, at den befinder sig på ét bestemt sted.

Det er her, begrebet superposition kommer ind. I vores almindelige verden kan en kontakt være tændt eller slukket. Det svarer til computerens bit, der enten har værdien 0 eller 1. Men en kvantepartikel kan befinde sig i en superposition af forskellige tilstande. En qubit i en kvantecomputer kan derfor beskrives som en kombination af 0 og 1.

Det betyder ikke bare, at vi ikke ved, om den er 0 eller 1. Det ville være som at lægge en mønt under en kop og glemme, om den landede på plat eller krone. Mønten har stadig én bestemt side opad, selv om vi ikke kan se den.

Superposition er mærkeligere end det. Indtil målingen foretages, beskriver kvantemekanikken selve systemet som en kombination af mulighederne. Først når vi måler, får vi et bestemt resultat: 0 eller 1. Hvorfor naturen overhovedet er indrettet sådan, og præcis hvad der sker i det øjeblik, vi måler, har fysikere diskuteret i omkring hundrede år.

Det var også her, nogle af det 20. århundredes største fysikere begyndte at blive uenige. Albert Einstein havde selv været med til at skabe grundlaget for kvantefysikken. Alligevel havde han svært ved at acceptere den verden, teorien syntes at beskrive. Hvis kvantemekanikken virkelig var den fuldstændige beskrivelse af naturen, kunne man ifølge den kun beregne sandsynligheden for, hvad en måling ville vise. Naturen så ud til at indeholde en grundlæggende tilfældighed.

Einstein mente, at der måtte ligge noget dybere nedenunder. Hans berømte bemærkning om, at Gud ikke spiller terninger, var ikke et argument imod kvantefysikkens beregninger. Dem vidste han fungerede. Det var et argument imod tanken om, at tilfældigheden var det sidste ord om virkeligheden.

Niels Bohr var langt mere villig til at acceptere konsekvenserne. Den berømte diskussion mellem Einstein og Bohr handlede derfor ikke om, hvorvidt eksperimenterne virkede. Den handlede om noget langt større: Hvad er virkeligheden egentlig, når ingen måler på den?

Og mærkelighederne stopper ikke ved superposition. To kvantepartikler kan også blive sammenfiltrede – entangled – så deres egenskaber ikke længere kan beskrives uafhængigt af hinanden. Måler man den ene, viser der sig stærke sammenhænge med resultatet af en måling på den anden, også når partiklerne befinder sig langt fra hinanden. Einstein var så utilpas ved denne konsekvens, at han omtalte den som en slags »spøgelsesagtig fjernvirkning«.

I årtier kunne diskussionen næsten ligne filosofi. Men siden er eksperimenterne blevet stadig bedre. I dag har fysikere gentagne gange vist, at naturen faktisk udviser de kvantekorrelationer, som Einstein fandt så mistænkelige. Kvanteverdenen lader sig ikke uden videre reducere til den velordnede, klassiske virkelighed, vi kender fra vores egen størrelse.

Der er også usikkerhedsprincippet. I klassisk fysik forestiller vi os, at en partikel både har en helt bestemt position og en helt bestemt bevægelsesmængde, også selv om vi måske ikke kan måle dem nøjagtigt. I kvantemekanikken findes der derimod en fundamental grænse for, hvor præcist bestemte størrelser kan være fastlagt samtidig. Jo skarpere positionen er bestemt, desto mindre skarpt kan bevægelsesmængden være bestemt – og omvendt.

Og så kan partikler gøre noget, som næsten lyder som snyd: De kan tunnelere gennem barrierer, som de ifølge klassisk fysik ikke burde kunne passere. Det sker blandt andet inde i Solen og i elektroniske komponenter. Det er endnu en påmindelse om, at kvantefysikken ikke blot er en eksotisk teori om en usynlig verden. Hele den verden, vi lever i, hviler på den.

Atomer eksisterer, som de gør, på grund af kvantemekanik. Kemi er kvantemekanik. Lasere, transistorer og moderne elektronik bygger på kvantefænomener. Vi lever altså allerede midt i en kvanteverden. Vi bemærker det bare normalt ikke, fordi de mærkelige effekter bliver svære at se, når milliarder af milliarder af partikler optræder sammen.

En kvantecomputer forsøger at gøre det modsatte. Den prøver at isolere og kontrollere netop de egenskaber, som normalt forsvinder i støjen fra omgivelserne.

Her bliver superposition afgørende. Hvor en almindelig computer arbejder med bits, der er 0 eller 1, arbejder kvantecomputeren med qubits, som kan befinde sig i superpositioner. Flere qubits kan samtidig blive sammenfiltrede med hinanden. Efterhånden som antallet vokser, kan systemet beskrive et enormt rum af mulige kvantetilstande.

Det betyder ikke, at en kvantecomputer bare prøver alle løsninger på én gang og bagefter læser det rigtige svar ud. Så enkelt er det ikke. Når qubits måles, ender vi stadig med almindelige nuller og ettaller. Kunsten består i at konstruere beregningen sådan, at kvantetilstandenes bølgeegenskaber påvirker hinanden – interfererer – så de løsninger, man leder efter, bliver mere sandsynlige, mens andre muligheder dæmpes.

Det er måske den vigtigste forskel mellem en almindelig computer og en kvantecomputer. Kvantecomputeren er ikke bare en ekstremt hurtig version af den computer, vi allerede kender. Den forsøger at regne ved at udnytte nogle helt andre egenskaber ved naturen. Egenskaber, som stadig er så fremmede for vores intuition, at selv Albert Einstein mente, at der måtte gemme sig en mere forståelig virkelighed nedenunder. Indtil videre har naturen ikke givet ham ret.