Nobelpriset i fysik: ”En bekräftelse av att kvantmekaniken fungerar”

2022-10-04 17:13  

Små partiklar som påverkar varandra trots att de är långt ifrån varandra. Nobelpriset i fysik går till tre forskare som har tagit fram avgörande kunskap om sammanflätade partiklar. Resultaten tros bli viktiga för informationsöverföring och kryptering.

Det är amerikanska John Clauser, franske Alain Aspect och österrikaren Anton Zeilinger som får dela på 2022 års Nobelpris i fysik. De belönas för sina banbrytande experiment om sammanflätade kvanttillstånd.

Kvantmekanik är teorin om naturlagar som gäller för mycket små partiklar, till exempel elementarpartiklar som är mindre än atomer. Intensiv forskning och utveckling pågår för att använda de speciella egenskaperna hos enskilda partikelsystem för att skapa bättre kvantdatorer, göra förbättrade mätningar, bygg kvantnätverk och etablera avlyssningssäker kvantkrypterad kommunikation.

Många av tillämpningarna bygger på att kvantmekaniken tillåter två eller flera partiklar att vara i ett så kallat sammanflätat tillstånd. Det innebär att de hör ihop i en enhet även när de är separerade. Det som händer med en av partiklarna avgör ödet för den andra partikeln i paret, även om de är för långt isär för att kunna påverka varandra.

Alain Aspect, John F. Clauser och Anton Zeilinger tilldelas årets Nobelpris i fysik.

Mäter man den ena partikeln vet man alltså omedelbart vad samma mätning skulle visa på den andra partikeln.

”Ger stora möjligheter”

Kungliga Vetenskapsakademin liknar det med bollar av olika färg. Om en svart boll skickas åt ett håll samtidigt som en vit boll skickas åt andra hållet, vet mottagaren av den svarta bollen utan att mäta att en vit boll gick i väg åt motsatt håll.

Men inom kvantmekaniken har partiklarna inte något bestämt tillstånd innan de mäts. Det är som om båda bollarna vore grå ända tills någon tittar på en av dem. Då kan bollen slumpmässigt bli antingen vit eller svart. Omedelbart får då den andra bollen den motsatta färgen.

Det sammanflätade tillståndet har varit en av de mest omdiskuterade aspekterna av kvantmekaniken ända sedan teorin formulerades. Hur kan en händelse bestämmas av något som sker på en annan plats utan att nås av någon form av signal från den? En signal kan inte färdas fortare än ljuset. Albert Einstein talade om ”spöklik avståndsverkan” och Erwin Schrödinger utnämnde den till kvantmekanikens viktigaste egenskap.

Ellen Moons. Foto: Linda Nohrstedt

Årets fysikpristagare har utforskat sådana sammanflätade kvanttillstånd i olika experiment.

– Sammanflätade kvanttillstånd ger stora möjligheter. Man behöver bara mäta den ena partikeln för att få veta vad den andra har för egenskap. Dessutom är det ett sätt att skicka information väldigt långt, säger Ellen Moons, professor i fysik vid Karlstads universitet, till Ny Teknik.

Utvecklade ett praktiskt experiment

Men sammanflätade partiklar har länge förbryllat forskarvärlden. Frågan var om sambandet kunde bero på att partiklarna i ett sammanflätat par innehåller dolda variabler, en sorts dold etikett inuti som säger vilken färg de ska anta när någon tittar?

På 1960-talet utvecklade John Stewart Bell den teori som bär hans namn och kallas Bell-olikhet. Den säger att om det finns dolda variabler i ett sammanflätat par kan sambandet mellan utfallen av ett stort antal mätningar av dessa partiklar aldrig överskrida ett visst värde.

Kvantmekaniken förutsäger tvärtom att en viss typ av experiment kommer att bryta mot Bells olikhet och ge ett starkare samband mellan utfallen i mätningar.

Amerikanen John Clauser intresserade sig för kvantmekaniken redan som student på 1960-talet. När han läste om John Bells idé kunde han inte släppa den. Han utvecklade ett praktiskt experiment för att testa Bells olikhet.

Det gick ut på att skicka ett par av sammanflätade fotoner åt varsitt håll. När de sänds ut är de polariserade, men polariseringens riktning är obestämd. Det enda som är säkert är att partiklarna ska vara polariserade åt samma håll. Med hjälp av filter i olika vinklar undersöktes vilka fotoner som kunde passera.

1972 kunde John Clauser visa ett resultat som stödde kvantmekanikens förutsägelse och tydligt bröt mot en Bell-olikhet.

Kvantteleportering första gången 1997

Men det fanns vissa kryphål i experimentet, en möjlighet att vissa partiklar hade sluppit igenom mätningen. Alain Aspect vidareutvecklade därför experimentet i flera steg. Dels lyckades han registrera både fotoner som gick igenom filtret och de som inte gjorde det. Dels kunde han växla inställningen av filtren efter att ett sammanflätat par hade lämnat sin källa, för att utesluta att arrangemanget skulle kunna påverka utfallet.

Med experimentet kunde Alain Aspect täppa till ett viktigt kryphål och resultaten blev tydliga. Kvantmekaniken stämmer och det finns inga dolda variabler.

Med förfinade verktyg använde Anton Zeilinger sammanflätade kvanttillstånd i en lång serie olika experiment. Hans forskargrupp demonstrerade 1997 för första gången ett fenomen som kallas kvantteleportering, vilket gör det möjligt att flytta ett kvanttillstånd från en partikel till en annan som befinner sig långt borta.

Fenomenet åstadkoms genom att låta partiklarna i ett sammanflätat par färdas åt varsitt håll och sedan se till att en av dem förs samman med en tredje partikel så att de flätas samman. Den tredje partikeln förlorar då sin identitet men dess ursprungliga egenskaper överförs till den ensamma partikeln från det ursprungliga paret.

”Teleportering av människor är science fiction”

Kvantteleportering är det enda sättet att överföra kvantinformation från ett system till ett annat utan att förlora någon del. Det beror på att kvantsystem kan innehålla flera versioner av varje egenskap samtidigt, där varje version har en viss sannolikhet att visa sig vid en mätning. Så fort mätningen genomförs finns bara en version kvar, nämligen den som gav utslag i mätinstrumentet.

Helt okända kvantegenskaper kan däremot flyttas med hjälp av kvantteleportering och dyka upp intakta hos en annan partikel till priset av att de förstörs hos den ursprungliga partikeln.

Anton Zeilinger. Arkivbild Foto: Science Photo Library

Anton Zeilinger fick under tisdagens presskonferens en fråga om teleportering av massa, inte bara information, skulle bli möjlig i framtiden.

– Teleportering av människor är i dag samma typ av science fiction som det alltid har varit. Det är inte en fråga om vetenskap, svarade han.

Nästa steg var att använda två par av sammanflätade partiklar. Om en partikel från vardera paret förs ihop och flätas samman kan de ostörda partiklarna i respektive par bli sammanflätade med varandra trots att de aldrig har varit i kontakt med varandra.

Sammanflätade par av fotoner kan skickas åt varsitt håll genom optiska fibrer och fungera som signaler i ett kvantnätverk. Sammanflätning mellan två par gör det möjligt att förlänga sträckorna som binder samman noderna i ett sådant nätverk.

”Kvantmekaniken fungerar”

Enligt Kungliga Vetenskapsakademien, som utser Nobelpristagarna, har de tre forskarnas utveckling av experimentella verktyg banat väg för en ny era av kvantteknologi. Nu kommer realistiska tillämpningar allt närmare.

Sammanflätade kvanttillstånd har demonstrerats mellan fotoner som har skickats genom tiotals kilometer av optisk fiber, samt i luften mellan en satellit och en station på marken.

– Jag tror att vi kommer att se en snabb utveckling av kvantinformation. Det är många steg kvar, men det finns redan företag som jobbar med kvantinformation, säger Ellen Moons.

Egenskaper som partiklar i ett sammanflätat par delar kan till exempel handla om polarisering eller åt vilken håll partiklarna snurrar.

– Det är klart att man måste skicka många fotoner för att överföra stora mängder information. Men när man har klurat ut hur man ska göra för en foton kan man skapa en puls och skicka ut fotoner många gånger, säger Ellen Moons.

Hon är ledamot av Nobelkommittén och var med om att föreslå just de här tre forskarna som pristagare.

– Priset är en bekräftelse av att kvantmekaniken fungerar. Det har vi sett i experimentella bevis många gånger. Kvantmekaniken är en komplett beskrivning av vår värld, säger hon.

”Ville hedra personerna som lade grunden”

Man brukar säga att den första kvantrevolutionen gav oss transistorn och lasern. Nästa kvantrevolution väntas ge oss kvantdatorer och kvantnätverk där stora komplexa beräkningar, till exempel för att optimera en molekyl eller ett material, ska kunna göras mycket snabbare än i dag.

Enligt Ellen Moons är det helt rätt pristagare som får Nobelpriset i fysik i år.

– Det är de som har gjort de grundläggande experimenten som visar vägen för kvantinformation. De har gjort det viktigaste bidraget, säger hon.

"Kvantmekanik är hela sanningen." Thors Hans Hansson gav en presentation av kvantmekanikens historia och Nobelpristagarnas bidrag. Foto: Linda Nohrstedt

Thors Hans Hansson, ledamot av Nobelkommittén, förtydligade under presskonferensen att kommittén inte bara ville välja ett av de spektakulära experimenten som har gjorts om sammanflätade kvanttillstånd på senare tid.

– Vi ville gå tillbaka och hedra personerna som lade grunden, sa han.

Grafik: Jonas Askergren.

Nobelpriset i fysik 2022

Pristagare: Alain Aspect, John Clauser, Anton Zeilinger.

Motivering: “För experiment med sammanflätade fotoner som påvisat brott mot Bell-olikheter och banat väg för kvantinformationsvetenskap.”

Prissumma: 10 miljoner svenska kronor som delas lika mellan pristagarna.

Linda Nohrstedt

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt