Beam me up!

Det här är en artikel från 2001.

Vi har alla sett scenen i någon science fiction-film: ett gäng djärva äventyrare går in i en särskild kammare, ljuset flimrar och rummet skakar och så hokus pokus är våra hjältar borta för att sekunden senare materialisera sig på en avlägsen planet. Detta är drömmen om teleportering – att kunna resa till en annan plats genom att bara upplösa sig i atomer och i samma ögonblick låta andra, motsvarande atomer samlas ihop på det nya stället. Nu är detta verklighet, för all del bara för ljusets beståndsdelar, fotonerna, och bara i laboratoriemiljö.

Kvantteleportering berör några av de mest underliga företeelserna inom kvantmekaniken. Denna gren av fysiken uppfanns så sent som i början av 1900-talet, för att förklara vad som händer i atomernas värld. Redan från början insåg teoretikerna att kvantfysiken skulle leda till en mängd nya fenomen, varav några rent av motsade förnuftet. Tekniska framsteg på senare år tillåter nu äntligen att teorierna, åtminstone till en del, låter sig förverkligas.

I science fiction-berättelser utnyttjas ofta teleportering, förflyttning som sker på ett ögonblick. Detta strider dock mot Albert Einsteins relativitetsteori som säger att ingenting kan resa snabbare än ljuset och i princip gör teleportering omöjlig. Att förflytta sig via teleportering är däremot mycket enklare och billigare än att resa med rymdskepp och allt. Den gillas således också av filmproducenter.
I filmerna avscannas originalet, t ex en människa eller ett rymdskepp, så att all nödvändig information för att beskriva henne samlas in och kan lagras. En sändare skickar informationen till mottagningsplatsen där en exakt avbild skapas. Ibland transporteras också den ursprungliga materien till bestämmelseorten i form av någon slags ”energi”.

Enligt kvantmekaniken borde en sådan förflyttning vara omöjlig. Heisenbergs obestämdhetsrelation sätter nämligen stopp för att så exakt kunna mäta kvanttillstånd att det skulle gå att återskapa avbilden. Enligt Heisenbergs berömda relation går det inte att samtidigt få fram två mätvärden på kvanttillstånd hos ett objekt exakt, så är det t ex omöjligt att samtidigt och med hög precision bestämma objektets läge och dess rörelse. Om den ena storheten mäts noga går det inte att få fram det ­exakta värdet på den andra storheten. I den långlivade TV-serien Star Trek klaras de av teorin satta svårigheterna med hjälp av en ”Heisen­berg­kompen­serare”. Men detta är ­ren science fiction.

Fast också i verkligheten har man numera lyckats kringgå kvantmekanikens grundvalar när en grupp forskare, där jag själv var inblandad, kom på att använda just kvantmekaniken för teleporteringen. Vi fann att en mycket märklig men grundläggande egenskap hos kvantmekaniken, nämligen sammanflätningen av kvanttillstånd, kan användas för att kringgå Heisenbergs obestämdhetsrelation utan att göra våld på den.

För att få en känsla för vad sammanflätade tillstånd innebär, föreställ dig att du kastar ett par tärningar samtidigt. Först får du två treor, sedan två sexor, sedan två fyror osv. Varje gång du kastar tärningarna kommer två lika upp.

Tärningarna ovan uppför sig som kvantmekanikens sammanflätade partiklar. Var och en för sig kommer sidorna upp slumpmässigt, medan deras sammanflätade partner på något märkligt sätt alltid ser till att matcha. Sådant händer inte med tärningar. Men experimentellt har ett sådant beteende påvisats och studerats noga hos atomer, joner och fotoner, där deras egenskaper, som polarise­ring, motsvarar tärningens sidor.

Låt oss betrakta två fotoner vars polarisering är sammanflätad – den är alltså slumpartad och samtidigt identisk för båda. Bosse har den ena fotonen och Anna den andra. Anna börjar mäta. Polarisationen kan vara horisontell eller vertikal. Chansen för var och en av möjligheterna är ­lika stor, 50 procent. Förutsättningarna för Bosses foton är desamma, men sammanflätningen gör att han alltid får samma mätresultat som Anna. Och genast när Anna fått sitt resultat vet hon i sin tur att Bosse också har det. Innan Anna började mäta hade fotonerna ingen bestämd polarisering – det sammanflätade tillståndet innebär att det bara är vid en mätning som fotonernas polarisering visar sig lika.

Märkligt nog spelar det ingen roll om Anna och Bosse befinner sig bredvid varandra eller om en av dem är på jorden och den andra på månen. Resultaten blir alltid lika vid en jämförelse. Det är som om fotonerna vore magiskt beroende av varandra.
Man kan då fråga sig om det går att förklara sammanflätningen med att partiklarna inom sig bär på några slags instruktioner. Kanske vi synkroniserar några dolda egenskaper när vi låter partiklarna sammanflätas, vilket skulle ge det bestämda resultatet. Detta skulle kunna skingra mystiken.

På 1960-talet upptäckte den irländske fysikern John Bell att eventuella dolda variabler vid sådana kvantsammanflätningar bör leda fram till resultat som skiljer sig från den vanliga kvantmekanikens lagar. Senare experiment har dock med stor säkerhet bekräftat kvantmekaniken, inga dolda variabler kan verka här. Men sammanflätade kvanttillstånd för­blev obegripliga, och Albert Einstein kallade dem för ”spöklik verkan på avstånd”, något som han hade svårt att förlika sig med. För söker man förklara detta med att fotonerna ”vet om” varandra så måste det flyta någon slags information mellan dem, de sänder signaler till varandra. Och känner de till varandras tillstånd precis i samma ögonblick då tillståndet uppenbaras så måste signalerna röra sig snabbare än ljuset. Skulle man sålunda kunna föra över information snabbare än ljuset? En del hoppades på detta.

Dessvärre sätter kvantlagarna stopp här. Varje mätning på plats av en enskild foton ger ett slumpmässigt resultat och ingen vettig information kan därmed överföras. Emellertid kan vi numera utnyttja sammanflätningen till att på ett sinnrikt sätt teleportera kvantpartiklar.

Anna och Bosse tänker teleportera en foton. De skaffar ett par sammanflätade hjälpfotoner – A- och B-fotonen. De lagrar ­sina fotoner ytterst försiktigt för att inte störa det mycket känsliga sammanflätade tillståndet som fotonparet befinner sig i. Så har Anna en tredje foton, X-fotonen, som är den som medelst teleportering slutligen ska hamna hos Bosse. Hon kan inte mäta X-fotonens alla kvanttillstånd och bara sända över den informationen till Bosse; nej, det går ju inte för Heisenbergs relation hindrar henne. I stället mäter hon X-fotonens polarisation tillsammans med A-fotonens. Hon tar alltså inte reda på fotonernas individuella värden för polarisation, inte heller tittar hon på polarisationen för de två fotonerna tillsammans. Det enda hon vill veta är fotonernas polarisationstillstånd i förhållande till varandra, det s k Bell-tillståndet.

Hennes mätning påverkar nu B-fotonen på ett subtilt sätt: den tar över X-fotonens kvanttillstånd eller av­viker från detta på ett enkelt sätt. ­Exakt hur avvikelsen ser ut – det får Bosse reda på genom att Anna talar om det för honom: hon ringer, eller så skickar hon ett vanligt brev, e-post meddelande, osv. Det finns fyra möjliga mätresultat beroende på ­fyra möjliga kvantförhållanden mellan fotonerna A och X: de kan ha samma polarisering, eller så är den precis motsatt; den kan också vara 90 grader till vänster eller 90 grader till höger. För att få kunskap om X-fotonens polarisation får Bosse slutligen, efter att ha fått budskapet från Anna, vrida B-fotonens polarisation t ex 90 grader åt endera hållet, vilket han enkelt kan göra genom att låta fotonen passera en kristall med lämpliga egenskaper.

Vid experimentet får Anna alltså helt slumpmässiga mätvärden som är oberoende av X-fotonens ursprungliga kvanttillstånd. Därför vet inte Bosse heller hur han ska ­göra med sin foton förrän Anna meddelar honom sina mätresultat den klassiska vägen.

Man skulle dock kunna hävda att Bosses foton ögonblickligen har fått all kvantinformation om X-fotonen, att kvantmekaniken har fått informationen att färdas på nolltid. Alltså att kvantmekanikens och även relativitetsteorins principer har kastats över ända. Men så är det inte – för att avläsa denna information måste Bosse vänta tills Annas meddelande kommer fram, och det sker som snabbast med ljusets hastighet. Innan dess kan inte Bosse känna till det riktiga kvanttillståndet hos X och teleportering har inte ägt rum.

Märk att kvantteleportering inte ger två kopior av X-fotonen. Medan klassisk information kan kopieras hur många gånger som helst, så förbjuder Heisenbergs obestämdhetsrelation exakta kvantkopior. I själva verket flätas fotonen A samman med X-fotonen vilket också kan uttryckas som att X-fotonen helt förlorar minnet av sitt ursprungliga tillstånd. Nu, som en del av ett sammanflätat partikelpar, har X-fotonen ingen egen polarisation, den har alltså försvunnit. Fast den dyker sedan upp hos Bosse.

Dessutom får varken Anna eller Bosse reda på X-fotonens ursprungstillstånd, Annas slumpvisa mätningar säger ingenting om detta. På så sätt kringgår man Heisenbergs relation som hindrar oss från att exakt bestämma kvanttillståndet men inte från att teleportera det, ­bara man undviker frestelsen att ta reda på de exakta värdena.

Det är inte någon materia som färdas heller, det enda som far iväg är beskedet om Annas mätresultat, det som ger Bosse information om vad som ska göras med hans foton. Där­emot är inget sagt om fotonens tillstånd.

Eftersom det kan finnas fyra olika sätt som X-fotonen och Annas foton kan förhålla sig till varandra så händer det en gång av fyra att Bosses foton omedelbart blir identisk med den ursprungliga. Men Bosse vet ändå ingenting om detta förrän han får beskedet om Annas mätning. Och detta meddelande färdas som sagt med ändlig hastighet. Alltså är spökverkan på avstånd utesluten, och Einsteins maximala värde för överföringshastighet står sig även här. Medan själva teleporte­ringen lyckas.

Även om det alltså i teorin är möjligt att genomföra ett tankeexperiment för teleportering stöter den i praktiken på stora svårigheter. Att tillverka partiklar i sammanflätade kvanttillstånd har blivit rutin på fysiklaboratorierna under de senaste åren. Men att utföra mätningar av Bell-tillstånd på två fotoner oberoende av varandra har ingen gjort förut. Det är det som vår forskargrupp har lyckats med.

Vi har alltså visat att det går att ­teleportera, men framgången är mycket begränsad – bara en fjärdedel av Annas fotoner kunde förflyttas på så vis, nämligen bara i de fall då de tillsammans med hjälpfotonerna A och B befann sig i ett visst Bell-tillstånd. Även om det i alltså i princip går att förbättra resultaten så saknar vi i dag tekniska möjligheter för att kunna särskilja alla kvanttillstånd. Fortfarande kan inte vi konstatera kvanttillstånd för två fotoner oberoende av varandra.

Över vilka avstånd kan vi teleportera? Säkert ett antal kilometer, möjligen bort till satelliterna i rymden. En grupp forskare i Paris har visat att atomer, möjligen även molekyler, alltså små grupper av atomer, kan fås i sammanflätade tillstånd som sedan skulle kunna teleporteras iväg. Men vad som väntar sedan kan nog ingen förutse.

Skeptikern kan här invända att det enda som faktiskt har överförts är fotonens polarisation, och inte själva fotonen. Det skulle alltså inte vara någon riktig teleportering, om bara kvanttillstånd teleporteras och inte några objekt. Detta leder emellertid till en djupare fundering över vad egentligen menas med identitet. Hur kan man veta på morgonen att bilen i garaget är densamma som stod där igår? Jo, för att den har precis alla egenskaper som den hade igår. Det är just vad kvantmekaniken säger: partiklar av samma slag som har identiska kvantegenskaper är i princip omöjliga att skilja åt från varandra. De är alltså identiska. Om man skulle ersätta alla bilens atomer med andra i precis samma kvanttillstånd skulle resultat bli en identisk bil, alltså i djupaste mening den ursprungliga bilen.

Observera att teleportering inte är som att kopiera något eller som att faxa: då går det alltid att skilja en kopia från originalet. Men när man teleporterar ska detta inte gå. Dess­utom finns ju originalet kvar när det kopieras medan det förstörs vid teleportering och försvinner.

Även om en del andra försök har gjorts för att teleportera fotoner är vi mycket långt från möjligheten att flytta några större objekt. Två problem uppenbarar sig omedelbart: för det första behövs ett par likadana objekt i sammanflätat tillstånd. För det andra bör dessa objekt kunna bli isolerade från omgivningen så att ­inget informationsutbyte sker. Det är svårt att föreställa sig en sådan fullständig isolering av ett större föremål, än mindre en levande ­varelse som andas luft och avger värme. I fallet med fotonerna ställer ­inte luften till besvär – fotoner växel­verkar inte med luftpartiklarna särskilt mycket. Men redan försök med atomer skulle kräva vakuum – kvanttillstånden är mycket sköra, och ju större objekt, desto lättare störs deras kvanttillstånd. En ­liten klump materia skulle störas redan av värmen från apparatens väggar – det är förresten därför vi inte ser några kvanteffekter till vardags.

Att teleportera personer väcker ännu större tvivel: att två personer skulle vara i exakt samma kvanttillstånd betyder ju inte att de är identiska. Förresten ändrar vi våra kvanttillstånd ständigt utan att byta identitet, så långt vi själva kan konstatera i alla fall. Och det omvända gäller också – identiska tvillingar eller biologiska kloner är inte identiska personer: minnen skiljer dem åt. Kan­ske är det Heisenbergs obestämdhetsrelation som hindrar oss från att skapa kopior av oss själva? Vem vet.

Kvantmekaniken är nog den mest outgrundliga vetenskapliga teori vi någonsin haft. Den ställer vårt vardagliga förnuft på ända, något som fick Einstein att starkt ifrågasätta kvantteorin. Han hävdade att verkligheten bör kunna beskrivas objektivt, en sak i taget. Ändå förstod han att man råkar i djupgående svårigheter i försök med sammanflätade partikelpar. Hans meningsmotståndare, dansken Niels Bohr, menade att man måste ta med hela systemet – i fallet med det sammanflätade fotonparet, även arrangemanget med båda partiklarna tillsammans. Ein­steins krav på att varje partikel bör kunna beskrivas för sig fungerar ­inte för sammanflätade kvanttillstånd.

Vi får samma problem som Ein­stein om vi börjar grubbla över vilka egenskaper som var och en av partiklarna i ett partikelpar egentligen har. Då måste vi exempelvis noga tänka igenom vad det innebär att ­vara polariserad. Och vi kommer ­inte undan slutsatsen att det enda vi kan tala om är vissa mätresultat som våra instrument visar. Till exempel i experimentet med polarisation föreställer vi oss att när instrumentet ­säger klick så har vår partikel den egenskapen att vara polariserad just då. Ändå får vi inte glömma att det är en liten historia som vi berättar här – den gäller bara just då, i en särskild experimentsituation, när det säger klick, och vi måste vara försiktiga om vi vill att samma sak ska gälla vid några andra tillfällen.

Därför måste jag här stämma i ­Niels ­Bohrs kommentar att vi kan förstå kvantmekanik bara om vi blir klara över att vetenskapen inte beskriver hur verkligheten är beskaffad utan bara vad vi kan säga om denna verklighet. Det är där vi kan finna det riktiga värdet med våra experiment: att nå en djupare förståelse för kvant­mekanikens mysterier.