Image
Illustrasjonsbilde av Aspect, Clauser og Zeilinger

Aspect, Clauser og Zeilinger © Nobel Prize Outreach. Illustrasjon: Niklas Elmehed.

Nobelprisen i fysikk: Fra Einstein til kvantekryptering

To partikler på hver sin side av universet kan være sammenfiltret. Denne egenskapen kan anvendes i kvanteteknologi.

De tre forskerne som mottar Nobelprisen i fysikk 2022, har gjort eksperimenter som viser at sammenfiltring av partikler er et reelt fenomen. Dette er fundamental fysikk som bekrefter kvanteteorien.

– Denne prisen er viktig av to grunner, sier professor i teoretisk fysikk, Johannes Skaar ved UiO.

Fakta

Tirsdag 4. oktober ble det annonsert at Alain Aspect, John Clauser og Anton Zeilinger fikk Nobelprisen i fysikk for 2022. 

Ifølge ham går sammenfiltringssfenomenet ut på at partikler kan dele egenskaper selv om de befinner seg på hver sin side av universet. 

– Grunn nummer to er de praktiske mulighetene dette gir. Vi har bare sett konturene av dette med kvantedatamaskiner og kvantekryptering. Begge deler er basert på disse fenomenene, sier Skaar. 

Kryptert informasjon med sammenfiltrede partikler

Ifølge Skaar har denne grunnforskningen svært interessante anvendelser som prisvinner Anton Zeilinger har forsket på. Dette er spesielt innenfor kvantekommunikasjon, som kryptering, og teleportasjon av kvantetilstander hvor kvantepartikler kan være ekstra interessante. 

Johannes Skaar. Foto: UiO

– Tenk deg at du sender to sammenfiltrede partikler av gårde, en til Alice og en til Bob. Hvis Alice måler på sin partikkel og får et resultat, får Bob samme resultat hvis han måler sin. Måleresultatene kan brukes som en felles, hemmelig nøkkel til kryptering. Dette er fordi Alice og Bob kan merke om noen har “sett” på linjen fordi det å observere i seg selv forstyrrer sammenfiltringen, forklarer Skaar. 

Men selv om det skal være mulig å se om noen har “sett” på linjen er det likevel mulig å lure systemet sier Skaar, som selv har forsket på kvantehacking. 

– Du kan “fake” noen tilstander og utnytte feil i detektoren, forklarer han. 

Kvantekryptering og kvantedatamaskiner er forskningsfelter som bygger på kvantemekanikken. 

Kvantemekanikken er ikke intuitiv, selv for Einstein

Jon-Magne Leinaas. Foto: UiO

– Det er en interessant forhistorie til denne prisen, forklarer Jon-Magne Leinaas, professor i teoretisk fysikk. Det går helt tilbake til da kvantemekanikken var ganske ung i 1935. Einstein og to andre skrev en artikkel om paradokset i kvantemekanikken. Han hadde vanskelig for å forstå at dette omtaler virkeligheten.

Leinaas forklarer videre at vi i dag vet at kvantefysikken er nokså forskjellig fra klassisk fysikk. Når ting blir tilstrekkelig små, gjerne på atom-nivå, må man bruke kvantefysikk for å beskrive virkeligheten. Ting vi kan se, som en ball vi kaster til hverandre, eller epler som faller ned fra et tre, beskrives med klassisk fysikk. Kvantefysikken er såpass annerledes at det ikke er intuitivt å forstå den mener Leinaas. Derfor mente Einstein og flere andre at det måtte være noe som manglet i kvantemekanikken, noen skjulte variabler, mens den danske fysikeren Niels Bohr, som står bak Københavnfortolkningen, mente at kvantemekanikken sto seg. 

Den nordirske fysikeren John Bell, pusset støv av problemstillingen, og fant ut at det var en konflikt mellom de skjulte variablene til Einstein og co og Københavnfortolkningen. Bell skulle påvise at det fantes visse ulikheter, kalt Bells ulikheter, som ikke var til stede i kvanteteorien. Prisvinnerne har tatt disse teoriene videre i sin forskning.

– Det skjedde lite før John Clauser prøvde å teste Bells ulikheter, forklarer Leinaas. Han brukte sammenfiltrede partikler. De er i en kvantemekanisk tilstand som ikke finnes i klassisk fysikk. Resultatet viste et brudd på Bells ulikheter, slik kvanteteorien hadde forutsett. I 1982 kom Aspect fram til en mer nøyaktig undersøkelse av det samme, forklarer Leinaas.

Deler lyset i to

Forsøket som viser at partikler kan være sammenfiltret handler om spalting av lys. Vanlig lys oppfører seg som bølger, men også som partikler. Vi kaller lyspartikler for fotoner. 

Professor emeritus Arnt Inge Vistnes ved Fysisk institutt forsker på eksperimentell fysikk og  har selv prøvd eksperimentet:  

– I vårt laboratorium sender vi laserlys gjennom en spesiell krystall. Da skapes det iblant et fotonpar som har omtrent den dobbelte bølgelengden som laserlyset og de to fotonene har hver sin polaritet. Vi sender dem gjennom en stråledeler og lar strålene gå hver sin vei til to ulike målestasjoner: Alice og Bob. Alice og Bob kan endre på strålen uavhengig av hverandre før de gjør en måling av deres bit. Det pussige er at uansett hvordan Alice og Bob velger å gjøre målingene, får de samme resultat såfremt de gjør målingen på samme vis, uansett om Alice eller Bob endrer måleoppsettet etter at fotonene allerede er på vei til dem, forklarer Vistnes.

Gruppebilde fra en konferanse i Wien i 2014 hvor blant annet Aspect, Clauser og Zeiringer er med. Foto: Andreas Thörn
Arnt Inge Vistnes. Foto: UiO

Hvordan skal resultatet tolkes?

– Standardforklaringen er at det finnes et fotonpar og det tolkes av de fleste som to partikler. Disse to har felles egenskaper og skapes i en og samme fysiske prosess, sier han. 

Men Vistnes er ikke enig i denne forklaringen. Hovedproblemet, ifølge ham, er at fotonet blir sett på som udelelige partikler.

– Vi har gjort liknende eksperimenter som ikke kan tolkes på annet vis enn at det er bølger som deler seg, sier Vistnes. Det er detaljer i eksperimentene som ikke stemmer med kvantefysikken, og det er detaljer som heller ikke stemmer med en klassisk fysisk forklaring. Ingen av forklaringene vi har i dag er fullgode, slik at det ikke er sikkert at vi har den endelige forklaringen av disse eksperimentene. Han legger til at Zeilinger selv har skrevet om manglende konsensus om hvordan kvantefysikken skal forstås. 

Quantum theory is based on a clear mathematical apparatus, has enormous significance for the natural sciences.... . 
Yet, nearly 90 years after the theory’s development, there is still no concensus in the scientific community regarding the interpretation of the theory’s foundational building blocks. Our poll is an urgent reminder of this peculiar situation.

Anton Zeilinger, 2013

Matematikken bak er uproblematisk

– Matematikken fungerer, sier Vistnes. Problemet er tolkningen. 

Det betyr at likningene som brukes for å regne på kvantefysiske fenomener fungerer. Likningene kan forutsi resultatet på et eksperiment, men hvordan skal dette forstås, undrer Vistnes? 

Vistnes kollega, professor Johannes Skaar, er ikke enig i at dette er et problem:

– Når vi gjør eksperimenter med fotoner, oppfører de seg i noen situasjoner partikkelaktig og i andre bølgeaktig. Problemet er egentlig at vi prøver å få dem til å passe inn i vår dagligdagse intuisjon, men der passer de ikke helt inn, mener Skaar.

Skaar forteller at partikkelen ikke trenger å være to steder samtidig. Den kan beskrives som en sannsynlighetsbølge. Kvantemekanisk er det slik at den ikke kan plasseres et bestemt sted. Dette skyldes en matematisk finurlighet knyttet til kvantemekanikken. Likningen som beskriver disse fenomenene, kan sammenliknes med å gange to imaginære tall sammen. Hver for seg gir ikke det imaginære tallet mening, men produktet av dem er noe vi kan forholde oss til. Slik er det også med kvantefysikken. 

Håper studentene interesserer seg for uløste problemer

– Jeg håper at studentene fatter interesse for at vi fortsatt ikke har konsensus for tolkning av kvantefysikken, sier Vistnes. 

Vistnes mener det er rom for nok en Nobelpris innenfor dette feltet dersom noen kan finne en forklaring som forener fysikerne om en og samme tolkning av kvantefysikken. 

Selv om han er uenig i partikkel-tolkningen berømmer han dem som fikk prisen: 

– Zeilinger, Aspect og Clauser har gjennomført en mengde eksperimenter som viser fenomener vi ikke kjente til fra før. Den innsatsen er etter min mening verdt en Nobelpris. Fenomenene i seg selv er svært interessante, og de to har en stor ære i å utforske disse, avslutter Vistnes.

Referanse:

Maximilian SchlosshauerJohannes KoflerAnton Zeilinger, A Snapshot of Foundational Attitudes Toward Quantum Mechanics,
arXiv:1301.1069
 [quant-ph]
, 2013