Kvantesyn i mørket

Kvanteoptik demonstrerer eksistensen af vekselvirkningsfri målinger: detektionen af genstande uden at lys - eller noget andet - nogensinde rammer dem

Paul Kwiat, Harald Weinfurter og Anton Zeilinger*

Indhold:

Indledning
Elitzur, Vaidman og bomben
En sten I vejen
Kvante Zenon effekten
Anvendelse af kvantemagi
Yderligere læsning

Indledning

I den græske mytologi står helten Perseus ansigt til ansigt med den uundgåelige opgave at kæmpe mod den frygtede Medusa. Det slange-hårede bæst er så modbydeligt, at bare et enkelt glimt af hende øjeblikkeligt forvandler enhver uheldig observatør til sten. I en version af fortællingen undgår Perseus sin skæbne ved klogeligt at bruge sit skjold til at reflektere Medusas billede tilbage på bæstet selv og derved forvandle hende til sten. Men hvad nu hvis Perseus ikke havde en velpoleret rustning? Så ville han antagelig være prisgivet. Hvis han lukkede sine øjne ville han ikke være i stand til at finde sit mål. Og det mindste kig ville have tilladt en smule lys at ramme Medusa for derefter at reflekteres ind i hans øje; når han således havde "set" monsteret ville han være færdig.
    I fysikkens verden kan dette dilemma summeres af en tilsyneladende uskyldig, næsten indlysende påstand, som blev fremsat i 1962 af nobelpristageren Dennis Gabor, som opfandt holografien. Gabor fastslog, at ingen observation kan udføres med mindre én foton - lysets grundlæggende partikel, eller kvant - rammer den observerede genstand.
    I løbet af de seneste år har fysikere i det mere og mere bizarre område indenfor kvanteoptik fundet ud af, at ikke alene er denne påstand langt fra indlysende, den er faktisk forkert. For vi ved nu, hvordan man kan afgøre tilstedeværelsen af en genstand uden, at nogen fotoner har berørt den.
    Sådanne vekselvirkningsfri målinger forekommer at være en modstrid - hvis der ikke er nogen vekselvirkning, hvordan kan der så være en måling? Det er en fornuftig slutning i klassisk mekanik, det område af fysikken, der beskriver bevægelserne af fodbolde, planeter og andre genstande, der ikke er for små. Men kvantemekanikken - videnskaben om elektroner, fotoner og andre partikler i det atomare område - siger noget andet. Vekselvirkningsfri målinger kan faktisk opnås af kvantemekanikken og udspekulerede eksperimentelle konstruktioner. Hvis Perseus havde været bevæbnet med en viden om kvantefysik, kunne han have angivet en måde at "se" Medusa på, uden at lys ramte gorgonen og gik ind i hans øje. Han kunne have set uden at se.
    Et sådant kvantesyn indeholder mange ideer til bygning af detekteringsanordninger, som kunne finde anvendelse i den virkelige verden. De forbavsende filosofiske konsekvenser er måske endnu mere interessante. Disse anvendelser og konsekvenser forstås bedst på tankeeksperimenternes niveau: strømlinede analyser, som indeholder de virkelige eksperimenters væsentlige egenskaber, men uden de praktiske komplikationer.
    Så lad os, som et tankeeksperiment, overveje en variation af et kopspil, som anvender to kopper og en småsten, der er skjult under en af kopperne. Stenen er imidlertid speciel: den vil blive til støv, hvis den udsættes for lys. Spilleren forsøger at bestemme, hvor den skjulte sten er, men uden at udsætte den for lys eller forstyrre den på nogen anden måde. Hvis stenen bliver til støv, taber spilleren spillet.
    I begyndelsen kan denne opgave forekomme umulig, men vi indser hurtigt at så længe spilleren er villig til at have succes halvdelen af tiden, så er den nemme strategi at løfte den kop, han håber ikke indeholder stenen. Hvis han har ret, så ved han, at stenen ligger under den anden kop, selv om han ikke har set den. At vinde med denne strategi er naturligvis ikke andet end et heldigt gæt.
    Vi fører dernæst vor modifikation et trin videre, som synes at forenkle spillet, men som i virkeligheden gør det umuligt for en spiller, der er begrænset til det klassiske område, at vinde. Vi har kun én kop og en tilfældig chance for, at der kan være en sten under den, eller ej. Spillerens mål er at sige, om der er en sten tilstede, igen uden at udsætte den for lys.
    Antag at der er en sten under koppen. Hvis spilleren ikke kigger under koppen, så opnår han ingen information. Hvis han kigger, så ved han at stenen var der, men han har nødvendigvis udsat den for lys og finder derfor en bunke støv. Spilleren kan prøve at dæmpe lyset, så der er en meget lille chance for, at det rammer stenen. For at spilleren skal kunne se stenen, må imidlertid mindst én foton have ramt den, hvilket pr. definition betyder at han har tabt.

Elitzur, Vaidman og bomben

For at gøre spillet mere dramatisk antog Avshalom C. Elitzur og Lev Vaidman, to fysikere ved Tel Aviv Universitet, at stenen var en "superbombe", som ville eksplodere hvis bare en enkelt foton ramte den. Opgaven blev så: bestem om der ligger en stenbombe under koppen, men antænd den ikke.
    Elitzur og Vaidman var de første forskere der tilbød en løsning på opgaven. Deres svar virker højst halvdelen af gangene. Ikke desto mindre var det væsentligt for at vise, at der overhovedet var håb om, at vinde spillet.
    Deres metode udnytter lysets grundlæggende natur. Vi har allerede nævnt, at lys består af fotoner, hvilket fremkalder en partikelagtig kvalitet. Men lys kan fremvise distinkt bølgeagtige egenskaber - især et fænomen, der kaldes interferens. Interferens er måden, hvorpå to bølger adderer sig med hinanden. I det velkendte dobbeltspalte-eksperiment rettes lys f.eks. gennem to spalter mod en fjern skærm. Skærmen viser så lyse og mørke bånd. De lyse bånd svarer til steder, hvor lysbølgernes toppe og dale fra én spalte adderes konstruktivt med toppene og dalene i bølgerne fra den anden spalte. De mørke bånd svarer til destruktiv interferens, hvor toppene fra én spalte udjævner dalene fra den anden [se Fig. 1]. En anden måde at udtrykke denne opfattelse på er at sige, at de lyse bånd svarer til områder på skærmen, som har en høj sandsynlighed for at blive ramt af fotoner og de mørke bånd til en lav sandsynlighed for at blive ramt.

Fig. 1. Interferens forekommer når en laser skinner gennem to spalter, der frembringer koncentriske ringe, som interfererer med hinanden (til venstre). Bølgerne kan adderes konstruktivt eller destruktivt (til højre).

Ifølge kvantemekanikkens regler sker der interferens når som helst der er mere end én mulig måde, hvorpå et resultat kan hænde og udfaldene ikke kan skelnes fra hinanden på nogen mulig måde (dette er en mere almen definition af interferens end der ofte gives i lærebøger). I dobbeltspalte-eksperimentet kan lyset nå skærmen ad to mulige veje (fra den øvre eller nedre spalte) og man foretager sig intet for, at bestemme hvilke fotoner der gik gennem hvilken spalte. Hvis vi på en eller anden måde skulle afgøre hvilken spalte en foton gik igennem, ville der ikke være nogen interferens og fotonen kunne havne hvor som helst på skærmen. Dette ville resultere i, at der ikke ville fremkomme et interferensmønster. Enkelt sagt, uden to uskelnelige veje kan interferens ikke finde sted.
    Som det første i deres hypotetiske målesystem begynder Elitzur og Vaidman med et interferometer - et apparat, der består af to spejle og to stråledelere (beam splitters). Lys der går ind i interferometeret rammer en stråledeler, som sender lyset videre ad to optiske ruter: en øvre og en nedre. Ruterne kombineres igen ved den anden stråledeler, som sender lyset til en af to foton detektorer [se Fig. 2]. På denne måde giver interferometeret lyset to mulige ruter mellem lyskilden og en detektor.

Fig. 2. Elitzur-Vaidman eksperimentet giver en foton valget mellem to ruter at følge. De optiske instrumenter er arrangeret (til venstre) så fotonerne altid går til detektor D-lys (svarende til konstruktiv interferens) men aldrig til D-mørk (svarende til destruktiv interferens). Tilstedeværelsen af en lille sten i den ene rute sender en gang imellem en foton til D-mørk (til højre), hvilket indikerer, at en vekselvirkningsfri måling er sket.

Hvis længden af begge ruter gennem interferometeret justeres så de er nøjagtig ens, bliver opstillingen i sin virkning til dobbeltspalte-eksperimentet. Den største forskel er, at foton detektorerne indtager pladsen for skærmen, der viser lyse og mørke interferensbånd. Den ene detektor anbringes, så den kun vil detektere ækvivalenten til de lyse bånd i et interferensmønster (kald denne detektor D-lys). Den anden måler de mørke bånd - med andre ord når ingen foton den nogensinde (kald den detektor D-mørk).

En sten i vejen

Hvad sker der, hvis en lille sten anbringes i en af ruterne, lad os sige den øverste? Idet vi antager, at den første stråledeler virker tilfældigt, så vil fotonen med 50 procents sandsynlighed tage den øverste rute, ramme stenen (eller sprænge superbomben) og aldrig nå til den anden stråledeler.
    Hvis fotonen tager den nederste rute rammer den ikke stenen. Desuden forekommer der ikke mere interferens ved den anden stråledeler, for fotonen har kun en måde at komme dertil. Derfor foretager fotonen et nyt tilfældigt valg ved den anden stråledeler. Den kan blive reflekteret og ramme detektor D-lys; dette resultat giver ingen information fordi det ville være sket selvom stenen ikke havde været der. Men fotonen kan også gå til detektor D-mørk. Hvis det sker, ved vi med sikkerhed at der var en genstand i den ene af interferometerets ruter, for hvis der ikke var det, kunne detektor D-mørk ikke have registreret. Og fordi vi kun afsendte en enkelt foton og den viste sig ved D-mørk, så kunne den ikke have ramt stenen. På en eller anden måde er det lykkedes os at udføre en vekselvirkningsfri måling - vi har bestemt tilstedeværelsen af stenen uden at vekselvirke med den.
    Selv om planen kun virker en del af gangene, understreger vi her, at når planen virker, virker den fuldstændigt. Den underliggende kvantemekaniske magi i denne bedrift er, at alt, inkluderende lys, har en dobbelt natur - både partikel og bølge. Når interferometeret er tomt, opfører lyset sig som en bølge. Det kan nå detektorerne samtidigt ad begge ruter, hvilket fører til interferens. Når stenen er på plads, opfører lyset sig som en udelelig partikel og følger kun én af ruterne. Selve tilstedeværelsen af stenen fjerner muligheden for interferens, selv om fotonen ikke behøver at have vekselvirket med den.
    For at demonstrere Elitzur og Vaidmans ide, udførte vi og Thomas Herzog, nu på University of Geneva, en virkelig version af deres tankeeksperiment for to år siden og demonstrerede således, at vekselvirkningsfri apparater kan bygges. Kilden til enkelte fotoner var et særligt ikke-lineært optisk krystal. Når ultraviolette fotoner fra en laser blev rettet gennem krystallen, blev de sommetider "ned-omdannet" til to datterfotoner med lavere energi, som bevægede sig med en vinkel på ca. 30 grader mellem sig. Ved at detektere en af disse fotoner var vi fuldstændig sikre på eksistensen af dens søster, som herefter blev rettet ind i vort eksperiment.
    Den foton gik ind i et interferometer (for enkelhedens skyld anvendte vi en lidt anden type interferometer end det Elitzur og Vaidman foreslog). Spejlene og stråledeleren blev rettet sådan ind, at næsten alle fotonerne gik ud samme vej som de kom ind (analogen til at gå til detektor D-lys i Elitzur og Vaidman eksemplet, eller i dobbeltspalte eksperimentet, at gå til et lyst bånd). I fravær af stenen var chancen for at en foton skulle gå til D-mørk meget lille på grund af destruktiv interferens (analogen til de mørke bånd i dobbeltspalte-eksperimentet) se Fig. 3.

Fig. 3. Demonstrationen af Elitzur-Vaidman planen bruger lys fra et ned-omdanner (down-converter) krystal, som går ind i en stråledeler (beam-splitter), springer af fra to spejle og interfererer med sig selv tilbage ved stråledeleren (til venstre). Intet lys når D-mørk (svarende til destruktiv interferens; konstruktiv interferens er i retningen hvorfra fotonen først ankom). Hvis en spejl "sten" indsættes i en lysrute, finder der ingen interferens sted ved stråledeleren; D-mørk modtager sommetider fotoner (til højre).

Men det at introducere en sten i en af ruterne, ændrede odds. Stenen var et lille spejl, som rettede lysets vej til en anden detektor (D-sten). Vi fandt så, at omkring halvdelen af gangene registrerede D-sten fotonen, hvorimod D-mørk gjorde det omkring en fjerdedel af gangene (resten af gangene forlod fotonen interferometeret ad samme vej, som den kom ind og gav ingen information. D-mørks registrering var den vekselvirkningsfri detektering af stenen.
    I en enkel udvidelse af planen reducerede vi stråledelerens refleksionsevne, hvilket formindskede chancen for, at fotonerne ville blive reflekteret ind på den rute, der indeholdt spejlet til D-sten. Det vi fandt, i overensstemmelse med den teoretiske forudsigelse, var, at sandsynlighederne for at fotonerne gik til D-sten og D-mørk blev mere og mere ens. Det vil sige, at ved at bruge en stråledeler, der knap reflekterer, kan op til halvdelen af målingerne efter Elitzur-Vaidman planen gøres vekselvirkningsfri (tilfælde, i hvilke fotonerne forlader interferometeret samme vej, som de kom ind, tælles ikke som målinger).

Kvante Zenon effekten

Straks meldte spørgsmålet sig: Er 50 procent det bedste vi kan opnå? Der udbrød en betragtelig, ofte ophidset, argumentation mellem os, for der var ingen indlysende konstruktionsændring, som kunne forbedre odds. I januar 1994 kom Mark A. Kasevich fra Stanford University imidlertid for at besøge os i Innsbruck en måned, og under hans ophold ledte han os mod en løsning som, hvis den blev ført ud i livet, gør det muligt at detektere genstande på en vekselvirkningsfri måde næsten hver gang. Det var ikke første gang, og forhåbentlig heller ikke den sidste, at kvante optimisme triumferede over kvante pessimisme.
    Den ny teknik er mere eller mindre en anvendelse af et andet mærkeligt kvantefænomen, som først blev diskuteret i detaljer i 1977 af Baidyanath Misra, som nu er på University of Brussels, og E.C. George Sudarshan fra University of Texas at Austin. Grundlæggende kan et kvantesystem være fanget i sin begyndelsestilstand, selv om det ville udvikle sig til en anden tilstand, hvis det blev overladt til sig selv. Muligheden fremkommer på grund af en usædvanlig virkning, som målinger kan have på kvantesystemer. Fænomenet kaldes Kvante Zenon Effekten fordi den minder om det berømte paradoks, der blev taget op af den græske filosof Zenon, som afskrev en flyvende pil mulighed for at bevæge sig, fordi den forekommer "frossen" i hvert øjeblik af sin flyvning. Den kendes også som den iagttagede-kedels virkning, en henvisning til aforismen om kogende vand. Vi ved alle, at selve den handling at iagttage kedlen ikke burde (og ikke har) have nogen virkning på hvor lang tid det tager at koge vandet. I kvantemekanikken findes der imidlertid faktisk en sådan virkning - målingen påvirker resultatet (princippet kaldes projektions postulatet).

Kasevich genopfandt essentielt det enkleste eksempel på denne virkning, som først blev anvist i 1980 af Asher Peres fra Technion-Israel Institute of Technology. Eksemplet udnytter endnu en af lysets egenskaber: polarisation. Polarisationen er den retning, hvori lyset svinger op og ned for lodret polariseret lys og fra side til side i vandret polariseret lys. Disse svingninger er vinkelrette på lysets udbredelsesretning. Lys fra Solen og andre typiske kilder vibrerer alment i alle retninger, men her beskæftiger vi os hovedsageligt med lodrette og vandrette polarisationer.
    Tænk på en foton, der rettes gennem en serie på f.eks. seks indretninger, der hver drejer lysets polarisation sådan, at en vandret polariseret foton ender med at være lodret polariseret [se Fig. 5]. Disse drejningselementer kan være glasceller, der f.eks. indeholder sukkervand. Ved slutningen af rejsen gennem elementerne kommer fotonen til en polarisator, en anordning, der transmitterer fotoner med én slags polarisation, men absorberer fotoner med en polarisation vinkelret herpå. I dette tankeeksperiment transmitterer polarisatoren kun lys med vandret polarisation til en detektor.

Fig. 5. Kvante Zenon Effekten kan demonstreres med anordninger, der drejer polarisationen 15 grader. Efter at have passeret seks sådanne drejere ændres fotonens polarisering fra vandret til lodret og absorberes derfor af polarisatoren (øverste række). Ved at indsætte en polarisator efter hver drejer, forhindrer man imidlertid, at polarisationen drejer (nederste række).

Vi vil begynde med en foton, der er vandret polariseret og hvert drejningselement vil dreje polarisationen 15 grader. Så er det klart, at fotonen aldrig vil ankomme til detektoren, for efter at have passeret alle cellerne vil dens polarisation være drejet 90 grader (15 grader for hvert af de 6 elementer) og således være blevet lodret. Polarisatoren absorberer fotonen. Denne trinvise drejning af polarisationen er den kvante udvikling, som vi ønsker at umuliggøre.
    Hvis vi indsætter en vandret polarisator mellem hvert polarisationselement, klarer den opgaven. Her er hvorfor: Efter det første drejningselement er lyset ikke drejet ret meget væk fra vandret. Det betyder, at chancen for at fotonen absorberes i den første vandrette polarisator er temmelig lille, kun 6,7 procent. (Matematisk gives dette af kvadratet på sinus til drejevinklen).
    Hvis fotonen ikke absorberes i den første polarisator, er den igen i en tilstand med vandret polarisation - det skal den være, for det er den eneste mulige tilstand for lys, som har passeret en vandret polarisator. Ved det andet drejeelement bliver polarisationen igen drejet 15 grader fra vandret, og ved den anden polarisator har den igen den samme lille chance for at blive absorberet; ellers transmitteres den igen i en tilstand af vandret polarisation. Processen gentager sig indtil fotonen ankommer til den sidste polarisator.
    En indkommende foton har 2 tredjedels chance for at blive transmitteret gennem alle seks indsatte polarisatorer og komme frem til detektoren; sandsynligheden gives af forholdet (cos²(15 grader))⁶. Alligevel sker der det, at når vi forøger antallet af trin og tilsvarende reducerer vinklen af drejningen i hvert trin tilsvarende (dvs. 90 grader divideret med antal trin), så stiger sandsynligheden for transmission af fotonerne. For 20 trin er sandsynligheden for at fotonen når detektoren næsten 90 procent. Hvis vi kunne lave et system med 2.500 trin ville sandsynligheden for, at en foton blev absorberet af en af polarisatorerne være kun 1 ud af 1.000. Og hvis det var muligt at have et uendeligt antal trin, ville fotonen altid komme igennem. På den måde ville vi fuldstændig have umuliggjort drejningens udvikling.
    For at virkeliggøre kvante Zenon virkningen brugte vi det samme ikke-lineære krystal som før til at behandle en enkelt foton. I stedet for at bruge seks drejeelementer og seks polarisatorer, brugte vi kun én af hver; for at opnå den samme virkning, tvang vi fotonen gennem dem seks gange ved at anvende tre spejle som en slags spiral vindeltrappe. [Se Fig. 6 nedenfor]. I fraværet af polarisatoren viser det sig, at fotonen i vindeltrappen altid er lodret polariseret. Når polarisatoren er tilstede, fandt vi, at fotonen altid er vandret polariseret (med mindre polarisatoren blokerede for den). Disse tilfælde hændte omkring to tredjedele af gangene i vort seks-turs eksperiment, som forventet ud fra vor tankeeksperiment-analyse.

Fig. 6. Eksperimentel realisering af kvante Zenon effekten blev opnået ved at lade fotonen følge en vindeltrappe-rute, således, at den gik igennem polarisationsdrejeren seks gange. Ved at indsætte en polarisator ved siden af drejeren blev drejningen af fotonens polarisering undertrykt.

Derefter begyndte vi at lave en vekselvirkningsfri måling - dvs. at detektere en uigennemsigtig genstand uden at nogen fotoner ramte den - på en højst effektiv måde. Vi anviste et system, som var en slags blanding af Zenon eksemplet og Elitzur-Vaidman metoden. En vandret polariseret foton ledes ind i systemet og gennemfører nogle få omgange (lad os igen sige seks) før den forlader det. (Til dette formål har man brug for et spejl, som kan "tændes" og "slukkes" meget hurtigt; heldigvis er sådanne spejle, som i virkeligheden er omskiftelige interferensanordninger, allerede blevet udviklet til pulsede lasere). I den ene ende af systemet er der et polarisations drejeelement, som drejer fotonens polarisation 15 grader for hver omgang. Den anden ende indeholder et polarisations interferometer. Det består af en polariserende stråledeler og to interferometerruter af samme længde med spejle ved slutningen, se Fig. 7.

Ved den polariserende stråledeler transmitteres alt lys, der er vandret polariseret og alt lodret polariseret lys reflekteres; transmissions- og refleksionsvalgene er essentielt analoge til de to ruter i dobbeltspalte-eksperimentet. Ved fravær af en genstand i polarisations interferometeret deles lyset ved stråledeleren ifølge dets polarisation, reflekteres fra spejlene i hver rute og rekombineres af stråledeleren. Dette resulterer i, at fotonen er i nøjagtig samme tilstand, som før den gik ind i interferometeret (dvs. med en polarisation, der er drejet 15 grader mod lodret). Så efter seks omgange ender polarisationen med at være drejet til lodret.
    Situationen ændrer sig, når der placeres en uigennemsigtig genstand i interferometerets lodrette polarisationsrute. Denne situation er analog til at have de seks polarisatorer indsat i kvante Zenon effekt eksperimentet. Så under den første omgang er chancen for at fotonen - hvis polarisation kun er drejet 15 grader fra vandret - går ind i den lodrette polarisationsrute (og så absorberes af genstanden) meget lille (6,7 procent, som i Zenon tankeeksperimentet). Hvis denne absorbering ikke finder sted, må fotonen i stedet være gået ind i den vandrette rute og dens polarisation er sat tilbage til at være rent vandret.
    Ligesom i Zenon eksemplet gentages hele processen ved hver omgang, indtil bundspejlet, efter seks omgange, slukkes og fotonen forlader systemet. Når vi måler fotonens polarisation, finder vi, at den stadig er vandret, hvilket betyder, at der findes en blokering i interferometeret. Ellers ville fotonen være lodret polariseret da den gik ud. Og ved at bruge flere omgange, kan vi gøre sandsynligheden for, at fotonen absorberes af genstanden så lille som vi ønsker. Foreløbige resultater fra ny eksperimenter ved Los Alamos National Laboratory har demonstreret at op til 70 procent af målingerne kunne blive vekselvirkningsfri. Vi håber snart at forbedre det tal til 85 procent.

Anvendelse af kvantemagi

Hvilken nytte gør al denne kvantespekulation? Vi mener, at situationen minder om laserens tidlige år, da videnskabsfolk vidste, at den var en ideel løsning på mange ukendte opgaver. Den ny metode til vekselvirkningsfri måling kunne f.eks. bruges som en temmelig usædvanlig form for fotografi, hvor genstanden optages uden at blive udsat for lys.
    Processen med "fotografering" ville virke på følgende måde: I stedet for at sende én foton ind, ville vi sende mange fotoner ind, én pr. pixel og udføre vekselvirkningsfri målinger med dem. I de områder, hvor genstanden ikke blokerede interferometerets lysrute, ville fotonernes vandrette polarisation gennemgå den forventede trinvise drejning til lodret. I de områder, hvor genstanden blokerede lysruten, ville nogle få fotoner blive absorberet; resten ville få deres polarisation fanget i den vandrette tilstand. Til slut ville vi tage et billede af fotonerne gennem et polariserende filter efter at de havde udført det krævede antal omgange.
    Hvis filteret blev vandret justeret, ville vi opnå et billede af genstanden; hvis det blev justeret lodret ville vi få negativet. I alle tilfælde er billedet lavet af fotoner, som aldrig rørte genstanden. Disse teknikker virker også med en halvt gennemskinnelig genstand og kan muligvis almengøres så man kan finde ud af en genstands farve (selvom det ville være vanskeligere).
    En variation af sådan billeddannelse kunne man forestille sig en dag ville vise sig værdifuld i lægevidenskaben - for eksempel som et middel til at lave billeder af levende celler. Man kunne forestille sig, at røntgenfotografere nogen uden at udsætte dem for mange gennemtrængende røntgenstråler. En sådan fotografering ville derfor være mindre risikabel for patienter end standard røntgenstråler. (I praksis er det usandsynligt at sådan røntgen fotografering vil blive realiseret i betragtning af vanskelighederne med at fremstille optiske elementer til denne bølgelængde lys).
    En kandidat til en hurtigere anvendelse er dannelsen af billeder af de skyer af ultrakolde atomer, der fornylig er blevet fremstillet i forskellige laboratorier. De koldeste af disse udviser Bose-Einstein kondensering, en ny slags kvantetilstand, hvori mange atomer opfører sig kollektivt som én entitet. I en sådan sky er hvert enkelt atom så koldt - dvs. bevæger sig så langsomt - at en enkelt foton kan slå et atom ud af skyen. Til at begynde med fandtes der ingen måde at få et billede af skyen på, uden at ødelægge skyen. Vekselvirkningsfri målemetoder kunne være en måde at tage billeder af en sådan samlig atomer.
    Bortset fra at tage billeder af kvantegenstande kunne sådanne procedurer også frembringe visse typer af dem. Teknikkerne kunne nemlig udvide fremstillingen af "Schrödingers Kat", en meget elsket teoretisk entitet i kvantemekanik. Kvante-kattedyret tilberedes, så det eksisterer i to tilstande samtidig: det er både levende og dødt samtidigt - en superposition af to tilstande. Tidlige i år er det lykkedes for arbejdere på National Institute of Standards and Technology at skabe en foreløbig type af Schrödingers Kat - en "killing" - med en beryllium ion. De brugte en kombination af lasere og elektromagnetiske felter til at få ionen til at eksistere samtidig på to steder 83 nanometer fra hinanden - en enorm afstand på kvanteskalaen.
    Hvis en sådan ion blev udforsket med vekselvirkningsfri metoder, ville også forskningsfotonen blive anbragt i en superposition. Den kunne ende med at være både vandret og lodret polariseret samtidig. Faktisk skulle den slags eksperimentel opstilling, som blev diskuteret ovenfor, være i stand til, at anbringe en gruppe på f.eks. 20 fotoner i den samme superposition. Hver foton ville "vide" at den har samme polarisation som alle de andre, men ingen af dem ville kende deres egen polarisation. De ville forblive i denne superposition indtil en måling afslørede, at de alle var enten vandret eller lodret polariserede. Dette anselige bundt fotoner, som alle befinder sig i denne sære tilstand, ville vise, at kvantevirkninger kan manifesteres på den makroskopiske skala.
    Da den befinder sig uden for de daglige erfaringers område, forekommer ideen om vekselvirkningsfri målinger underlig, hvis ikke lodret urimelig. Måske ville den forekomme mindre mærkelig, hvis man huskede på, at kvantemekanikken opererer i potentialiteternes område. Det er fordi der kunne have været en vekselvirkning, at vi kan forhindre en i at ske.
    Hvis det ikke hjælper så find trøst ved, at selv fysikerne i årenes løb har haft svært ved at acceptere kvanteverdenens særhed. De underliggende nøgler til disse magiske kvantebedrifter - komplementariteten, lysets bølge- og partikelegenskaber og kvantemålingers natur - har været kendt siden 1930. Først for nylig er fysikere begyndt at anvende disse ideer til at afdække nye fænomener i kvante informationsbearbejdning, inkluderende evnen til at se i mørke.

Yderligere læsning:

QED: The Strange Theory of Light and Matter. Richard P. Feynman. Princeton University Press, 1985.

Quantum Mechanical Interaction-Free Measurements. Avshalom C. Elitzur and Lev Vaidman in Foundations of Physics, Vol. 23, No. 7, siderne 987-997; Juli 1993.

Interaction-Free Meausurement. P.G. Kwiat, H. Weinfurter, T. Herzog, A. Zeilinger og M.A. Kasevich i Physical Review Letters, Vol. 74, No. 24, siderne 4763-4766; June 12, 1995.

*Paul Kwiat, Harald Weinfurter og Anton Zeilinger vekselvirkede frit med hinanden på University of Innsbruck. Kwiat, som nu er J.R. Oppenheimer Fellow ved Los Alamos National Laboratory, tjente sin Ph.D. fra University of California, Berkeley. Han er seriøs student af aikido og prøver at blive en rimelig fløjtespiller. Weinfurter modtog sin Ph.D. fra Technical University of Vienna og havde en postdoctor stilling ved Hahn-Meitner Institute i Berlin. Han nyder i øjeblikket alle fordele og komforten ved et fellowship på Austrian Academy of Science, så vel som den afslappede livsstil i Innsbruck og omgivelser. Zeilinger er medlem af Austrian Academy of Sciences, tjente sit doktorat på University of Vienna og har haft utallige ansættelser over hele verden. I sin sparsomme fritid spiller han dobbelt-bass og samler antikke kort, især over det Østrigsk-Ungarske Kejserrige.

Oversat fra Quantum Seing in the Dark, Scientific American, november 1996, pp. 52-58.

13. februar, 2006.

Indhold
Materiens og lysets dualitet :Én sti: Skygger
Hurtigere end lyset?
Index