Nobelprisen i fysikk 2022 har blitt tildelt til en trio av forskere for banebrytende eksperimenter innen kvantemekanikk, teorien som dekker mikroverdenen av atomer og partikler.
Alain Aspect fra Université Paris-Saclay i Frankrike, John Clauser fra JF Clauser & Associates i USA, og Anton Zeilinger fra Universitetet i Wien i Østerrike, vil dele premiesummen på 10 millioner svenske kroner (915 000 USD) “for eksperimenter med entangled fotoner, som fastslår brudd på Bell-ulikheter og banebrytende kvanteinformasjonsvitenskap”.
Kvantemekanikkens verden virker veldig merkelig. På skolen lærer vi at vi kan bruke likninger i fysikk til å forutsi nøyaktig hvordan ting vil oppføre seg i fremtiden – hvor en ball vil gå hvis vi ruller den ned en bakke, for eksempel.
Kvantemekanikk er forskjellig fra dette. I stedet for å forutsi individuelle utfall, forteller den oss sannsynligheten for å finne subatomære partikler på bestemte steder. En partikkel kan faktisk være på flere steder samtidig, før den «plukker» ett sted tilfeldig når vi måler den.
Selv den store Albert Einstein selv var urolig over dette – til det punktet hvor han var overbevist om at det var feil. I stedet for at utfallene er tilfeldige, mente han at det måtte være noen “skjulte variabler” – krefter eller lover som vi ikke kan se – som forutsigbart påvirker resultatene av målingene våre.
Noen fysikere omfavnet imidlertid konsekvensene av kvantemekanikk. John Bell, en fysiker fra Nord-Irland, fikk et viktig gjennombrudd i 1964, lage en teoretisk prøve for å vise at de skjulte variablene Einstein hadde i tankene ikke eksisterer.
I følge kvantemekanikken kan partikler bli “viklet inn”, uhyggelig koblet sammen slik at hvis du manipulerer den ene, så manipulerer du automatisk og umiddelbart også den andre.
Hvis denne skumlen – partikler langt fra hverandre som på mystisk vis påvirker hverandre øyeblikkelig – skulle forklares ved at partiklene kommuniserer med hverandre gjennom skjulte variabler, ville det kreve raskere enn lys kommunikasjon mellom de to, noe Einsteins teorier forbyr.
Kvante sammenfiltring er et utfordrende konsept å forstå, som i hovedsak forbinder egenskapene til partikler uansett hvor langt fra hverandre de er. Se for deg en lyspære som sender ut to fotoner (lyspartikler) som beveger seg i motsatte retninger bort fra den.
Hvis disse fotonene er sammenfiltret, kan de dele en egenskap, for eksempel deres polarisering, uansett avstand. Bell så for seg å gjøre eksperimenter på disse to fotonene hver for seg og sammenligne resultatene av dem for å bevise at de var sammenfiltret (virkelig og mystisk knyttet sammen).
Clauser satte Bells teori ut i livet i en tid da det nesten var utenkelig å gjøre eksperimenter på enkeltfotoner. I 1972, bare åtte år etter Bells berømte tankeeksperiment, viste Clauser at lys faktisk kunne vikles inn.
Samtidig som Clausers resultater var banebrytende, var det noen få alternative, mer eksotiske forklaringer på resultatene fikk han.
Hvis lyset ikke oppførte seg helt som fysikerne trodde, kunne kanskje resultatene hans forklares uten forviklinger. Disse forklaringene er kjent som smutthull i Bells test, og Aspect var den første som utfordret dette.
Aspect kom opp med et genialt eksperiment for å utelukke et av de viktigste potensielle smutthullene i Bells test. Han viste at de sammenfiltrede fotonene i eksperimentet faktisk ikke kommuniserer med hverandre gjennom skjulte variabler for å bestemme utfallet av Bells test.
Dette betyr de er virkelig skummelt knyttet.
I vitenskapen er det utrolig viktig å teste begrepene som vi mener er riktige. Og få har spilt en viktigere rolle i dette enn Aspect. Kvantemekanikk har blitt testet gang på gang i løpet av det siste århundret og overlevd uskadd.
Kvanteteknologi
På dette tidspunktet kan du bli tilgitt for å lure på hvorfor det betyr noe hvordan den mikroskopiske verdenen oppfører seg, eller at fotoner kan vikles inn. Det er her visjonen til Zeilinger virkelig skinner.
Vi brukte en gang vår kunnskap om klassisk mekanikk for å bygge maskiner, for å lage fabrikker, noe som førte til den industrielle revolusjonen. Kunnskap om atferden til elektronikk og halvledere har drevet den digitale revolusjonen.
Men forståelse av kvantemekanikk lar oss utnytte den, bygge enheter som er i stand til å gjøre nye ting. Faktisk tror mange at det vil drive den neste revolusjonen, av kvanteteknologi.
Kvanteforviklinger kan utnyttes i databehandling å behandle informasjon på måter som ikke var mulig før. Å oppdage små endringer i sammenfiltring kan tillate sensorer å oppdage ting med større presisjon enn noen gang før.
Kommunikasjon med sammenfiltret lys kan også garantere sikkerhet, ettersom målinger av kvantesystemer kan avsløre tilstedeværelsen av avlytteren.
Zeilinger sitt arbeid banet vei for den kvanteteknologiske revolusjonen ved å vise hvordan det er mulig å koble en serie sammenfiltrede systemer sammen, for å bygge kvanteekvivalenten til et nettverk.
I 2022 er ikke disse anvendelsene av kvantemekanikk science fiction. Vi har den første kvantedatamaskiner. Micius-satellitten bruker sammenfiltring for å muliggjøre sikker kommunikasjon over hele verden. Og kvantesensorer brukes i applikasjoner fra medisinsk bildebehandling til å oppdage ubåter.
Til syvende og sist har Nobelpanelet i 2022 anerkjent viktigheten av det praktiske grunnlaget som produserer, manipulerer og tester kvanteforviklinger og revolusjonen det er med på å drive frem.
Jeg er glad for å se denne trioen motta prisen. I 2002 startet jeg en doktorgrad ved University of Cambridge som var inspirert av arbeidet deres. Målet med prosjektet mitt var å lage en enkel halvlederenhet for å generere sammenfiltret lys.
Dette var for å forenkle utstyret som trengs for å utføre kvanteeksperimenter og for å tillate at praktiske enheter for virkelige applikasjoner kan bygges. Våre arbeidet var vellykket og det forbløffer og begeistrer meg å se sprangene som har blitt gjort i feltet siden.
Robert Youngprofessor i fysikk og direktør for Lancaster Quantum Technology Centre, Lancaster University
Denne artikkelen er publisert på nytt fra Samtalen under en Creative Commons-lisens. Les original artikkel.