sammenfiltring

Sammenfiltring. En kilde sender ut sammenfiltrede fotonpar, det ene fotonet mot Arne og det andre mot Berit. Kilden sender ut mange slike fotonpar etter hverandre. For hvert foton som når Arne, kan han bestemme seg for to ulike målinger, (a) og (b): (a) Arnes foton måles til å være enten horisontalt polarisert eller vertikalt polarisert med 50% sannsynlighet for hver. Sammenfiltringen gjør at Berits foton vil være motsatt polarisert, det vil si alltid 90 ° på Arnes foton. (b) Arnes foton måles til å være enten +45 ° eller −45 ° i forhold til det horisontale, og Berits −45 ° eller +45 °.

Hvis Berit hadde hatt muligheten til å finne ut om fotonene hun mottar, er av typene i (a) eller typene i (b), ville Arne kunne sendt en melding til Berit uten forsinkelse: Hvis Arne ønsker å sende en bit 0, ville han da målt (a), mens hvis han ville sende en bit 1, ville han målt (b). Kvantemekanikken viser imidlertid at det er umulig å skille helt f.eks. mellom fotoner som er horisontalt polarisert og +45 ° polarisert. Derfor vil heller ikke Arne kunne sende meldinger til Berit uten noe forsinkelse. Man kan altså ikke bruke sammenfiltring til å kommunisere raskere enn lyset.

Ved å bruke postulatene i kvantemekanikken kan det vises at uansett hvilken måling Berit gjør, vil hun ikke kunne merke om Arne har gjort en måling av sitt foton.

Niels Bohr (til venstre) og Albert Einstein i diskusjon. Disse fysikerne diskuterte ofte forståelsen av kvantemekanikk og hvorvidt det fantes en enda mer grunnleggende naturlov eller ikke.

.
Lisens: Begrenset gjenbruk

Anton Zeilinger, som vant Isaac Newton-medaljen i 2007 for sine bidrag til anvendelser av sammenfiltring.

.
Lisens: Begrenset gjenbruk

Sammenfiltring betyr i kvantefysikken at tilstanden til to eller flere partikler er nært forbundet uavhengig, av avstanden mellom partiklene.

Faktaboks

Også kjent som

engelsk: entanglement

Fenomenet kan potensielt ha betydning for fremtidige sikre kommunikasjonssystemer og utviklingen av kvantedatamaskiner.

Beskrivelse

En kvantemekanisk sammenfiltring oppstår ved at to eller flere partikler vekselvirker eller blir til som en helhet, noe som fører til en sterk sammenheng mellom partiklene. Ved å måle en egenskap til en av de sammenfiltrede partiklene, får man informasjon om denne egenskapen til alle de andre partiklene, selv om de skulle befinne seg langt fra hverandre.

Eksempel: fotoner

To fotoner kan for eksempel oppstå i en sammenfiltret enhet ved at ett foton vekselvirker med atomer og omdannes til to fotoner, hver med halvparten av det opprinnelige fotonets energi. De to nye fotonene er i prinsippet sammenfiltret uansett hvor langt vekk fra hverandre de har reist. I praksis vil hvert foton, etter hvert som de påvirkes av sine forskjellige omgivelser langt fra hverandre, få den opprinnelige sammenfiltringen utvisket. Men det kan ta så lang tid at fotonene har tid til å flytte seg flere hundre kilometer vekk fra hverandre.

For å forstå sammenfiltring kan vi nå tenke på de to fotonene som to kuler med hver sin farge (rød eller blå), og disse legges i hver sin koffert som reiser fra hverandre med lyshastigheten. Vår erfaring sier oss nå at i den ene kofferten er den røde kulen og i den andre er den blå. Idet vi åpner den ene kofferten og sjekker fargen, vet vi straks fargen på den ballen i den andre kofferten, uansett hvor langt koffertene er unna hverandre. Kvantemekaniske kuler er annerledes: I hver koffert ligger det en kule som kan være både rød og blå -- de to fargene er blandet i hver koffert. Man kan sette opp ulike eksperimenter: (a) Man kan sjekke om ballen er rød eller blå. (b) Man kan sjekke om ballen er rødblå, rød på nordlig halvkule og blå på sydlig, eller omvendt (blårød).

Uansett hvilken måling man gjør i den ene kofferten, så vil man registrere motsatt resultat i den andre. Hvis ballen i måling (a) viser seg å være rød, vet vi at den andre er blå. Hvis ballen i måling (b) viser seg å være rødblå, så vet vi at den andre er blårød. En slik sterk korrelasjon lar seg ikke forklare uten kvantefysikk, så sammenfiltring regnes som et helt unikt kvantefenomen.

Modellen med baller i kofferter har sin begrensning. I figuren er det vist hvordan sammenfiltring virker for et fotonpar. I stedet for farger for kuler, er det da snakk om polarisasjonen til fotonene.

Historikk

Sammenfiltring har vært en viktig del av kvantemekanikken siden 1930-tallet. Schrödinger og Bohr anså sammenfiltring som en spesiell korrelasjon mellom partiklene som vi måtte akseptere. Men Einstein så på det som et stort problem, fordi det etter hans mening måtte innebære at den partikkelen som ble målt, måtte sende et signal til den andre om å innstille seg i riktig tilstand, og dette signalet kunne umulig gå fortere enn lyshastigheten og «fortelle» den andre partikkelen hvordan det skulle innstille seg.

I 1935 skrev Einstein, sammen med kollegene Boris Podolsky and Nathan Rosen, en artikkel med tittelen «Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?». Den ble kjent som et angrep på kvantemekanikken, og problemet ble omtalt som EPR-paradokset (forkortelse for Einstein, Podolsky og Rosen). Paradokset er formulert som et tankeeksperiment med to sammenfiltrede partikler som undersøkes samtidig etter at de har kommet langt nok vekk fra hverandre.

Siden 1970-tallet har utviklingen av teknologi gjort det mulig å gjennomføre slike eksperimenter i virkeligheten. De to kulene i eksempelet over kan være to fotoner med motsatt polarisasjon, som i undersøkelsen som er kjent som Aspect-eksperimentet, utført i 1981–1982.

Siden er det utført mange eksperimenter på forskjellige kvantemekaniske sammenfiltringer, og så langt har de alltid kommet ut i kvantefysikkens favør, og i Einstein og kollegaers disfavør. Derfor anses kvantemekanisk sammenfiltring som et godt etablert fenomen i dag.

Eksperimentell aktivitet

Et lite utvalg av eksperimenter som har dokumentert sammenfiltring:

Det har etter hvert blitt mulig å påvise sammenfiltring mellom fotoner som har flyttet seg langt vekk fra hverandre. I 2011 registrerte Anton Zeilinger og hans forskningsgruppe sammenfiltrede fotoner samtidig mellom La Palma og Tenerife. Observasjonspunktene var 143 km fra hverandre.

16. august 2016 ble en kinesisk satellitt skutt opp med en kilde som kan sende ut sammenfiltrede fotoner. Et mål med dette prosjektet er å demonstrere at sammenfiltrede fotoner kan brukes til sikker kommunikasjon i verdensrommet og mellom verdensrommet og Jorden.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg