I år har har Nobelpriset i fysik tilldelats fysikerna Alain Aspect, John F. Clauser och Anton Zeilinger för viktiga experimentella resultat inom kvantfysik. Upptäckten gäller kvantsammanflätningar hos fotoner i Bells experiment, och dess mer alldagliga tekniska appliceringar inom området för kvantinformation, eller utvecklingen av kvantdatorer. Hjärtat till upptäckten ligger i den viktiga debatten mellan Albert Einstein, Niels Bohr och Erwin Schrödinger gällande de grundläggande reglerna och mekanismerna som styr vårt universum.
Under 1930-talet fördes en debatt mellan flera av den teoretiska fysikens och den nya kvantfysikens pionjärer gällande Heisenbergs osäkerhetsprincip. Osäkerhetsprincipen satte vår förståelse av universum på huvudet då den bevisade att viss information gällande exempelvis elementarpartiklar var matematiskt och därmed fysiskt omöjlig att mäta till ett exakt värde. Dock var Einstein inte övertygad och publicerade tillsammans med två andra fysiker, Nathan Rosen och Boris Podolsky, en avhandling som presenterade EPR-paradoxen som beskrev problemet kring kvantsammanflätning. Kvantsammanflätning, på engelska “quantum entanglement”, beskriver ett par partiklar som delar samma specifika kvantvärden, som exempelvis spinntal. Spinn beskriver en partikels orientering i rummet kopplat till dess rörelsemängdsmoment, men själva partikeln ‘roterar’ inte från ett klassiskt perspektiv i relation till en specifik punkt. Det är i stället en egentlig egenskap hos partikeln som behandlas matematiskt enligt Schrödingers ekvation, som beskriver en fysisk entitets vågfunktion. När en av dessa mäts blir värdet från denna mätning för den andra partikeln nästan alltid beroende av den första partikeln, och oberoende av avstånd. I andra termer sker en omedelbar kollaps av båda partiklarnas vågfunktion. En vågfunktion är sammanfattat en variation av Schrödingers ekvation som beskriver energin i ett kvantsystem som en sannolikhet. För varje måttligt intresserad fysikentusiast blir problemet uppenbart. Detta strider nämligen mot ett av Einsteins viktigaste postulat: att ljusets hastighet, och därmed hastigheten information kan utbytas i, är begränsad.
I avhandlingen menade författarna att kvantmekaniken därmed kan betraktas som en icke lokal teori, alltså att händelser kan förekomma över avstånd utan en förmedlande kraft mellan dem, och att kvantmekaniken var inkomplett. Einstein förespråkade därmed en hypotes om okända variabler, efter att han yttrat sin kända replik “Gud kastar inte tärning”, som skapade en dittills okänd men deterministisk länk mellan systemen. Detta var en del av dåtidens och nutidens jakt på en djupare verklighet under kvantmekaniken. I enkelhet förespråkade kvantmekaniken efter Schrödingers och Heisenbergs arbeten att universum i sig självt var oförutsägbart på den mest grundläggande nivå. Schrödinger utvecklande av vågfunktionen gjorde det möjligt att matematiskt beskriva en partikel som både en specifik enhet och en våg. Detta i sin tur ledde till slut till Heisenbergs arbete som etablerade att det är omöjligt att på både praktiskt och teoretiskt plan mäta flera egenskaper hos en partikel eller våg samtidigt. Bohr lutade dock åt motsatsen och förespråkade att kvantmekaniken var universums grundläggande verklighet. Vid den här tiden, i och med Schrödingers och Heisenbergs monumentala arbete, var kvantmekanikens sannolikhetsbaserade natur nästan universellt accepterat, men man kunde inte fullständigt motbevisa Einsteins rivaliserande hypotes.
1964 kom fysikern John Stewart Bell ut med sitt Bells teorem som angrep EPR-paradoxen och Einsteins idé om okända variabler. Han kom fram till att om mätningar utförs på partiklar i ett sammanflätat par finns det en matematisk gräns eller ojämlikhet till vilken grad okända variabler kunde fastställa resultatet av de kollapsade vågfunktionerna. Om experimentella resultat skulle visa sig bryta ojämlikheten, betydde det att Einsteins argument om en konstant underliggande lokalitet inte kunde appliceras till kvantfysiken. Därmed kunde okända variabler inte förklara alla fenomen i kvantmekaniken. Bell kunde dock inte rekonstruera sin hypotes experimentellt. Härifrån tog den första framtida Nobelpris-vinnaren John F. Clauser över tillsammans med fysikern Stuart Freedman, och lyckades replikera en version of Bells teorem genom att mäta polarisationstillståndet hos två fotoner. Ljus polariseras när en ljusstråle orienteras åt ett specifikt håll eller vektor i rummet och blir till en våg. Vid tillräckligt stora numeriska kvantvärden kan kvantmekaniken ge samma lösningar som klassisk mekanik, och därmed kan likheter mellan kvanttalen uträknas. För första gången observerade man att Bells ojämlikhet bröts. Clauser var personligen osäker på vad resultatet skulle bli och satsade två dollar på att Einstein skulle ha rätt och ojämlikheten inte skulle brytas. Han förlorade, vad blev kvantfysikens räddning. Experimenten konstaterades dock inte vara helt täta, och vissa kryphål återstod att täcka över. Alain Aspect och Anton Zeilinger uppnådde detta i sina experiment 1982 respektive 2017 och Einsteins ursprungliga teori gick i graven.
Anton Zeilinger demonstrerade också vikten av denna upptäckt på samhällsnivå. Sammanflätade partikelpar, benämnda Bellpar, har en viktig funktion inom kvantkryptering då dessa par beter sig inom ett och samma kvanttillstånd. Varje ändring inom en partikel, eller för att vara specifik qubit, resulterar i en motsvarande förändring inom den andra partikeln, som ofta blir antisymmetrisk eller motsatsen till det första värdet. Därmed kan en väldigt specifik typ av information skickas mellan sändare. Flera sådana tekniker existerar inom kvantinformation. Ett exempel är kvantteleportering som testades av Zeilinger genom optiska kablar på ett avstånd av 143 km mellan Kanarieöarna La Palma och Teneriffa. Denna typ av kryptering har också spekulerats vara obrytbar då ett försök att läsa informationen resulterar i den konsekvens som förutspåddes av Schrödinger och Heisenberg: att vågfunktionen kollapsar och kvanttillståndet förstörs. Detta resulterar i att informationen förstörs och inte kan rekonstrueras.
Källor som användes i den här artikeln
Quantum Information Science; https://www.nsf.gov/pubs/2000/nsf00101/nsf00101.htm,
Wood, Charlie; Pioneering Quantum Physicists Win Nobel Prize in Physics; Quanta Magazine ; 2022; https://www.quantamagazine.org/pioneering-quantum-physicists-win-nobel-prize-in-physics-20221004/,
The Nobel Prize Outreach AB 2022; Press release; 2022; https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/,
The Nobel Committee for Physics; Scientifc Background on the Nobel Prize in Physics 2022; The Royal Swedish Academy of Sciences; 2022