”Det absolut mest besynnerliga man kan föreställa sig”

Kvantmekanik kan ge snabbare datorer – och förändra vår bild av verkligheten.

Publicerad

Alain Aspect, John F. Clauser och Anton Zeilinger får årets Nobelpris i fysik.
Bild: Jeremy Barande, CC BY-SA 2.0 , Peter Lyons, CC BY-SA 4.0 och Jacqueline Godany, CC BY 4.0

Enligt kvantmekaniken kan två partiklar befinna sig i ett så kallat sammanflätat tillstånd. Sammanflätningen gör att en mätning av den ena partikeln kan påverka den andra partikeln, även om de befinner sig långt ifrån varandra.

– Kvantsammanflätningen handlar om vår fundamentala förståelse av verkligheten, säger Ulf Danielsson, professor i teoretisk fysik vid Uppsala universitet och ledamot av Nobelkommittén.

Amerikanen John F. Clauser, fransmannen Alain Aspect och österrikaren Anton Zeilinger belönas för experiment som både kan påvisa och utforska kvantsammanflätningens egenskaper. Trion har ofta dykt upp i spekulationer inför Nobelpriset. Magnus Borgh, som forskar inom kvantoptik vid University of East Anglia, förklarar varför:

Magnus Borgh.
Magnus Borgh.
Bild: Rachel Smith / UEA

– Årets pris går till vad jag skulle kalla världsbildsdefinierande forskning i kvantmekanikens fundament.

Vid prisets tillkännagivande berättade Anton Zeilinger, som är professor i fysik vid Wiens universitet, om hur kvantmekaniken fångade hans intresse första gången han läste om den.

– Jag häpnade över vissa av dess teoretiska förutsägelser, eftersom de inte passar vår vanliga intuition, sa han.

Ett vanligt antagande är att två partiklar endast kan påverka varandra om något slags signal färdas mellan dem. Eftersom en signal inte kan färdas snabbare än ljusets hastighet i vakuum, borde det finnas en gräns för hur snabbt någonting på en plats kan påverka någonting på en annan plats.

Kvantsammanflätningen problematiserar dock den bilden. Enligt kvantmekaniken kan exempelvis två ljuspartiklar, fotoner, vara sammanflätade så att en mätning av ljusets vibrationsegenskaper, polarisationen, hos den ena fotonen omedelbart påverkar polarisationen hos den andra.

Detta sker eftersom de sammanflätade fotonerna befinner sig i ett gemensamt kvanttillstånd. När fotonerna delar detta tillstånd går det inte att förutsäga exakt vilken polarisation den ena eller andra fotonen kommer att ha, utan endast att deras polarisation måste vara korrelerad. Även om fotonerna befinner sig långt från varandra kommer en mätning hos den ena fotonen därför omedelbart att bestämma utfallet av mätningen hos den andra fotonens polarisation.

Ulf Danielsson.

– Det hör till det absolut mest besynnerliga man kan föreställa sig. Det var så besynnerligt att Einstein menade att det här kan väl egentligen inte stämma, säger Ulf Danielsson.

1935 frågade sig Albert Einstein tillsammans med Boris Podolsky och Nathan Rosen om kvantmekaniken verkligen ger en uttömmande beskrivning av verkligheten. Kanske finns det för oss okända variabler som påverkar resultatet av fysikernas mätningar.

Einsteins artikel inledde en lång debatt om vad kvantmekaniken egentligen säger om verklighetens beskaffenhet. På 1960-talet bidrog den nordirländske fysikern John Stewart Bell med en avgörande insikt.

I Bells argument är ordet lokal centralt. Det innebär att utfallet av en mätning bara kan påverkas av processer i mätningens omedelbara närhet. Bell visade att om det finns dolda variabler som dessutom är lokala så uppstår ett visst slags statistiska korrelationer hos exempelvis polarisa­tionen hos sammanflätade fotoner. Dessa korrelationer skiljer sig från de som kvant­mekaniken förutspår.

Alain Aspect, 75 år, Université Paris-Saclay och École Polytechnique, Frankrike. Förutom sitt arbete inom akademin har han grundat företaget Pasqal som bygger kvantdatorer.
John F. Clauser, 80 år, J.F. Clauser & Assoc., USA. Segling är Clausers stora intresse. Han skrev en av sina viktigaste artiklar om kvantmekanik medan han seglade på Atlanten.
Anton Zeilinger, 77 år, Wiens universitet, Österrike. Är en skicklig operasångare som har synts på Wiens operascen. 1997 bjöd Dalai Lama in Zeilinger för att diskutera filosofi i Indien.
Bild: Niklas Elmehed / Nobel Prize outreach

1972 använde John F. Clauser sammanflätade fotoner för att testa Bells resonemang. Hans experiment visade att kvantmekanikens förutsägelser tycktes stämma. Det kan därför inte finnas ytterligare dolda, och lokala, variabler som påverkar mätningarna.

– Resultaten verkar antyda att kvantmekaniken i någon mening är en icke-lokal teori, säger Erik Sjöqvist, professor i kvantinformationsteori vid Uppsala universitet.

De icke-lokala korrelationerna går att iaktta efter upprepade mätningar, men de går inte att använda för att skicka information snabbare än ljusets hastighet.

– För att se effekterna av kvant­sammanflätningen måste du jämföra mätresultat på två olika platser, säger Erik Sjöqvist.

Så flätas partiklar som aldrig mötts samman
Två par av sammanflätade partiklar sänds ut från var sin källa. En partikel från varje par förs samman på ett speciellt sätt, som flätar samman dem med varandra. De två övriga partiklarna (1 och 4 i figuren) är därefter också sammanflätade.
Bild: Johan Jarnestad / Kungl. vetenskapsakademien

– Mätresultaten måste du kommunicera med exempelvis telefon eller e-mail. Vi ser den icke-lokala korrelationen när vi jämför data, men det är omöjligt att använda den för icke-lokal kommunikation.

Att genomföra experimentet var en utmaning, berättar John F. Clauser när Forskning & Framsteg når honom.

– Alla sa till mig att det inte var möjligt, så varför bry sig? Dessutom hade ingen gjort det tidigare, och vi hade inga pengar. För att göra experimentet var vi tvungna att bygga allt från grunden.

Clausers experiment bekräftades senare av Alain Aspect, som utförde än mer snillrika mätningar för att testa kvantsammanflätningen.

– Aspect täppte till ett så kallat kryphål, säger Ulf Danielsson.

– Det handlar om att det inte finns någon möjlighet för korrelationerna att uppstå med hjälp av information som på något sätt lyckas snirkla sig med ljusfarten mellan mätpunkterna.

Efter Clausers och Aspects avgörande experiment fortsatte Zeilinger att utforska allt mer avancerade test av Bells olikhet och teknologiska tillämpningar av kvantsammanflätningen.

– Hans resultat är viktiga för alla framtida kvantteknologier, som kvantdatorer och kvantkryptografi, säger Erik Sjöqvist.

I kvantdatorer används sammanflätande tillstånd för att utföra beräkningar som är mer effektiva än de som vanliga datorer klarar av. Med hjälp av sammanflätningen går det också att skapa kryptografiska protokoll som avslöjar om en tredje part försöker avlyssna en informationskanal. Detta testades bland annat med hjälp av den kinesiska satelliten Micius, som användes för att skicka krypterad information över flera tusentals kilometer.

En av de märkligaste teknologiska tillämpningarna av kvantsammanflätningen är möjligheten att teleportera ett kvanttillstånd från en plats till en annan. Anton Zeilinger har lyckats teleportera ett sådant tillstånd 143 kilometer.

Att det går att använda kvantsammanflätningen både för att testa hur naturen fungerar på en fundamental nivå, och även skapa nya teknologier, visar hur viktiga Clausers, Aspects och Zeilingers experiment har varit.

F&F Evenemang:

En kväll om livet efter digitaliseringen

En tankeväckande och lärorik kväll med teknikhistorikern Nina Wormbs, sociologen Malin Åkerström, filosofen Hans Ruin och litteraturvetaren Jesper Olsson. 25 januari på Playhouse Teater i Stockholm.

Läs mer och boka

John F. Clauser påpekar dock att forskarna har en lång väg kvar innan de verkligen förstår vad resultaten innebär:

– Jag misstänker att det finns en mer grundläggande teori under kvant­mekaniken, men det är en ren gissning. Jag vet inte vad en sådan teori består av. Jag erkänner också att jag är helt förvirrad, jag har ingen aning om vad allt det här betyder.

Tack vare Clausers pionjärarbete har de filosofiska frågor som kvantmekaniken väcker blivit tillgängliga för experimentell utforskning.

– Clauser visade först att Bells olikhet bryts i enlighet med kvant­mekaniken, Aspect täppte till ett väldigt viktigt kryphål och Zeilinger visade vad man ska ha allting till, säger Ulf Danielsson. 

Infografik fysikpriset 2022

Existerar färg när ingen tittar?
Kvantmekanikens sammanflätade par kan jämföras med en maskin som kastar ut bollar av motsatta färger i motsatta riktningar. När Bob fångar en boll och ser att den är svart vet han direkt att Alice har fångat en vit. I en teori som använder dolda variabler hade bollarna alltid innehållit dold information om vilken färg som ska visas. Kvantmekaniken säger dock att bollarna var grå tills någon tittade på dem. Då blev den ena slumpmässigt vit och den andra svart. Bells olikheter visar att det finns experiment som kan skilja mellan dessa fall. Sådana experiment har bevisat att kvantmekanikens beskrivning stämmer.

Experiment med Bells olikheter

John Clauser använde kalciumatomer som kunde skicka iväg sammanflätade fotoner efter att han hade belyst dem med ett speciellt ljus. Han satte upp ett filter på vardera sida för att mäta fotonernas polarisation. Efter en rad mätningar kunde han visa att de bröt mot en av Bells olikheter.
Bild: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences
Alain Aspect utvecklade detta experiment genom att använda ett nytt sätt att excitera atomerna så att de skickade iväg sammanflätade fotoner i en högre takt. Han kunde också växla mellan olika inställningar så att systemet inte skulle innehålla någon förhandsinformation som kunde påverka resultaten.
Bild: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences
Anton Zeilinger genomförde senare flera tester av Bells olikheter. Han skapade sammanflätade par av fotoner genom att lysa på en särskild kristall med en laser, och använde slumpmässiga siffror för att växla mellan mätinställningarna. Ett experiment använde signaler från avlägsna galaxer för att kontrollera filtren och säkerställa att signalerna inte kunde påverka varandra.
Bild: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Text och bild: Kungl. Vetenskapsakademin

Prenumerera på Forskning & Framsteg!

10 nummer om året och dagliga nyheter på webben med vetenskapligt grundad kunskap.

Beställ idag
Publicerad

Upptäck F&F:s arkiv!

Se alla utgåvor