|
Gedanken eksperimentatoren
Ved at bringe teleportation, entanglement og andre kvantemærkværdigheder til afprøvning håber fysikeren Anton Zeilinger at finde ud af præcis, hvor uvirkelig kvantevirkeligheden kan blive.
JR Minkel
Fysikeren Anton Zeilinger forstår måske ikke kvantemekanik, men det har ikke lagt ham hindringer i vejen. Ud over at bane vej for ultrakraftige computere og ubrydelige koder, der arbejder med kvantevirkninger, har den 62-årige østriger et talent for at skubbe grænserne for kvantemærkværdighed på slående vis. Fornylig observerede han den følsomme kvanteforbindelse entanglement i lys, som glimtede mellem to øer på Kanarieøerne, der var adskilt med 144 kilometer. Han drømmer om at kaste entangled lys fra satelliter i kredsløb. Skønt han er bedre kendt i verden som helhed for sådanne eksperimenter, som skaber avisoverskrifter, er han gået langt for at afprøve selve kvantemekanikkens underliggende antagelser. Hans resultater har efterladt et meget lille skjulested til andre konklusioner end at kvantevirkeligheden er aldeles, uundgåeligt mærkelig – så meget at 40 år efter først at have truffet den som studerende famler Zeilinger stadig efter, hvad der driver den. ”Jeg traf efter min mening straks den rette konklusion,” siger han, ”at ingen virkelig forstår den.” I næsten 17 år har Zeilingers arbejde drejet sig om tricks med entangled lys. To partikler kaldes entangled, hvis de deler den samme udviskede kvantetilstand, hvilket betyder, at ingen af dem begynder med bestemte egenskaber som placering eller polarisering (som man kan forestille sig som en partikels rumlige retning). Mål en fotons polarisering og den indtager tilfældigt en bestemt værdi, f.eks. horisontal eller vertikal. Mærkeligt nok vil den anden fotons polarisering altid passe med dens partners. Zeilinger, hvis gruppe opfandt et almindeligt værktøj til at entangle fotoner, plejer at illustrere ideen ved at forestille sig et par terninger, som altid lander på tal, der stemmer overens. Lige så mystisk tvinger målehandlingen på den ene fotons polarisering øjeblikkeligt den anden foton til at indtage en komplementær værdi. Denne ændring sker øjeblikkeligt, selv om fotonerne er i hver sin ende af galaksen. Lyshastighedsgrænsen, som resten af verden adlyder, kan rende og hoppe forsåvidt angår kvantefysikken. Forskere betragter entanglement som et redskab til manipulation af information. Et netværk af entangled fotoner kunne måske sætte forskere i stand til at køre kraftige kvantealgoritmer, der kunne bryde vore dages mest sikre kodede budskaber eller simulere molekyler til medicin og materialedesign. I seks år flyttede Zeilinger rekorden for flest antal entanglede fotoner – tre, så fire (sprang til fem i 2004, så seks, af en tidligere forsker i hans gruppe). I 1997 demonstrerede Zeilinger først kvanteteleportation: han entanglede en foton med et medlem af et andet entangled par, hvilket forårsagede, at den første foton påtrykte sin kvantetilstand på det andet medlem. Teleportation kunne holde signalerne friske i kvantecomputere [se ”Quantum Teleportation,” af Anton Zeilinger; Scientific American, april 2000][Kvanteteleportation]. Nogle få år senere var hans gruppe en af tre, som indkodede hemmelige budskaber i strenge af entanglede fotoner, som lurere ikke kunne fange uden at forvanske budskabet. Han er ikke altid den første til at opnå en sådan bedrift, men ”han har et meget godt blik for et elegant eksperiment og et som vil viderebringe det han prøver at formidle,” siger kvanteoptikforskeren Paul G. Kwiat fra University of Illinois, tidligere medlem af Zeilingers laboratorium og nu samarbejdspartner.
”Den eneste grund til at jeg laver fysik er, at jeg kan lide fundamentale spørgsmål,” siger Zeilinger mellem bidder af rundstykke med smøreost og honning. Han var kommet til Denver til et fysikmøde, hvor han ville fortælle forsamlede kolleger om sit arbejde med at sende entanglede fotoner mellem La Palma og Tenerife på Kanarieøerne – og dermed udvide afstanden for hemmelige entanglede budskaber 10 gange. Bredt smilende, med ovale briller klemt mellem hans skæg og en sky af kruset, gråt hår, ser han lidt ulveagtig ud – klar til at fange kvantebytte. ”Alt hvad jeg laver, gør jeg, fordi det er sjovt,” siger han. En del af hans morskab er bekræftelsen af kvantemekanikkens mærkværdighed. Kvanteubestemthed bekymrede notorisk Albert Einstein, som kaldte teorien ufuldstændig. En partikel burde vide hvor og hvad den er, troede han, selv om vi ikke gør, og den burde bestemt ikke modtage signaler hurtigere end lysets hastighed. Einsteins synspunkt forblev et spørsmål om fortolkning og i tankeeksperimenternes, eller gedanken, rige indtil 1964, da den irske fysiker John Bell beviste, at målinger på entanglede partikler kunne skelne mellem kvantemekanik og Einsteins indstilling: en blanding af lokalitet (signaler strømmer ved lyshastighed) og realisme (partikler besidder bestemte, dog skjulte, egenskaber). Lysbaserede afprøvninger af Bells sætning kræver at to detektorer hurtigt skifter den retning i hvilken, de måler polariseringen af entanglede par. Statistisk dikterer den lokale realisme, at polariseringerne kun kan være forbundne, eller korrelerede, i en vis procentdel af målingerne. I en klassisk Bell afprøvning i 1982, der satte standarden for fremtidige forsøg, bekræftede franske fysikere kvantemekanikken – og væltede lokal realisme – ved at observere en større procentdel. Zeilingers første plyndringstogt i entanglement var som teoretiker, da han i 1989 var med til at opfinde en ikke-statistisk version af Bells sætning for tre entanglede partikler – kaldet GHZ tilstande, efter opdagernes efternavne (Daniel M. Greenberger fra City College of New York, Michael A. Horne fra Stonehill College i Easton, Mass. og Zeilinger). Trioen forestillede sig tre entanglede fotoner, som hver ramte en detektor, der var sat til at måle polarisering i en af to retninger, enten horisontalt-vertikalt eller vredet til venstre eller til højre. I princippet ville fire kombinationer af detektorindstillinger opstille en enkelt måling, der kunne skelne kvantemekanik fra lokal realisme. ”Det var det største fremskridt i hele affæren med sammenligning af kvantemekanik med lokalrealistiske teorier siden Bells oprindelige arbejde,” siger fysikeren Anthony Leggett fra University of Illinois. At virkeliggøre GHZ eksperimentet tog Zeilinger indtil 2000. Året før lukkede han også et smuthul i det franske eksperiment fra 1982 (andre smuthuller forbliver) ved at bruge to kvikt tikkende atomure til at udelukke enhver chance for, at detektorerne på en eller anden måde sammenlignede noter sendt med lyshastighed. For få måneder siden rapporterede Zeilinger, at han havde anvendt en ny slags statistisk Bell test, anvist af Leggett, der satte kvantemekanikken op imod en kategori teorier, i hvilke entangled fotoner har virkelige polariseringer men udveksler skjulte partikler, der bevæger sig hurtigere end lyset. I princippet kunne sådanne hurtigere-end-lyset teorier have efterlignet kvantemærkværdighed perfekt og ladet realismen uskadt. Ifølge eksperimentet er det ikke sådan: resultaterne kunne kun forklares ved kvanteuvirkelighed. Hvilken ide erstatter så realismen? Situationen genkalder en af Zeilingers favoritbøger, den humoristiske The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy, af Douglas Adams, i hvilken en mægtig computer knaser livets mening, universet og alting og spytter tallet 42 ud. Så dens skabere bygger en større computer for at opdage spørgsmålet. (Zeilinger, som er ivrig sejler, navngav sin båd 42). Hvis kvanteubestemthed er lig tallet 42, hvad er så ideen, der gør den forståelig? Zeilingers gæt er information. Ligesom en bit kan være 0 eller 1, ender en målt partikel her eller der. Men hvis en partikel kun bærer den ene bit information, vil den ikke have nogen tilovers til at angive dens placering før målingen. Ulig Einstein accepterer Zeilinger, at tilfældighed er virkelighedens klippegrund. Alligevel, ”Jeg kan ikke tro, at kvantemekanikken er det sidste ord,” siger han. ”Jeg har en fornemmelse af, at hvis vi får virkelig dyb indsigt i, hvorfor verden har kvantemekanik” – hvor 42 kommer fra – ”kunne vi komme videre. Det er det, jeg håber.” Så ville forståelsen endelig komme.
Fra Scientific American, august 2007.
Kvanteteorien og virkeligheden
|
