Fysikere i Kina kan teleportere over 100km, kan vi lese i Nature 13. august 2012. Eller - de kan ihvertfall teleportere et foton over 100km. Eller - de kan ihvertfall bruke fotoner til å flytte informasjon over 100km, uten at det tar tid. OK, mulig at 'teleportasjon' er et litt sterkt ord, men ganske så kult er det uansett. Med kvantefysikk og en god dose nydelig eksperimentkunst kan man i dag gjøre de vanvittigste ting - og hva vil kunne bli mulig i morgen?

(Teksten er også publisert på kollokvium.no)

Et eventyr om en veldig spesiell bok

Tenk deg at du har et ark som du har skrevet noe veldig hemmelig på. Du vil overføre denne teksten til en annen, kanskje den litterære agenten din, med absolutt 100% garanti for at ingen kan få tak i den under veis. Du tar derfor arket med bort til en veldig spesiell bok du har, en med blanke sider som ingen noen sinne har sett på. Du legger arket ditt inn i boken på en helt spesiell måte, kanskje mens du mumler noen uforståelige ord og har en spiss hatt på hodet, og vips så er arket ditt blankt. Det eneste som er igjen er noen tilfeldige bokstaver på et av arkene i den spesielle boka.

Du ringer nå agenten din, som befinner seg over 100km unna i en annen by. Han har en tilsvarende spesiell bok, og når han slår opp i den ser han at en av sidene har blitt full av skrift. Skriften er uleselig for ham siden den er i kode, men når du forteller ham de tilfeldige bokstavene i din bok - som egentlig er en kodenøkkel - så kan han dekode skriften, og vips så dukker det du hadde skrevet opp hos ham. Hadde dere målt ville dere ha sett at den faktisk dukket opp nøyaktig i det øyeblikket du la arket ditt i din mystiske bok. Informasjonen har ikke blitt sendt gjennom noe medium - den har bare flyttet seg fra ett sted til et annet.

Er det magi? Science fiction? Nei, der er kvantefysikk!

Fysikere i Kina har akkurat vist at dette utrolig nok går an, selv om vi er et stykke unna å bruke det i teknologi på akkurat denne måten. Prinsippet de bruker er kvante-teleportasjon, som igjen baserer seg på bruk av sammenfiltrede fotoner. Begge disse er godt kjente fra før, men med de nye resultatet gjør fagfeltet et - unnskyld blødmen - kvantesprang.

Vi skal se på hva det kan brukes til, men først: Hva har de gjort og hvordan virker det?

Vi starter med å lage noen fotoner - “lyspartikler” eller den minste biten lys du kan lage - på en helt spesiell måte. De må være sammenfiltrede, som betyr at de er en slags tvillinger. Naturen har en del bevaringslover, av samme type som at “energi kan ikke bli til eller forsvinne, bare gå over i andre former”. Disse kan vi bruke på en slik måte at når vi lager to partikler så vet vi at den ene må ha en egenskap og den andre den motsatte. En grønn og en rød, for eksempel, eller en glad og en sur. Men hvilken er hvilken? Det vet vi ikke før vi ser etter - og her kommer det rare og viktige. I kvantefysikkens verden, der de bittesmå elementærpartiklene lever, er det slik at inntil vi ser etter så har begge partiklene begge egenskapene. Rød og grønn samtidig, glad og sur samtidig. Det er først når vi ser etter - gjør en måling av noe slag - at de velger. Og hvis du måler på den ene, og den velger, så velger den andre partikkelen det motsatte, akkurat samtidig - uansett hvor langt unna den er.

Sammenfiltring strider grundig mot intuisjonen vår. Ideen ble opprinnelig foreslått av Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen i 1931 som et eksempel på at kvantefysikk umulig kan være riktig, men har siden blitt grundig eksperimentelt bevist. Roll over, Einstein - naturen bestemmer selv hva som er “riktig”. Les mer om det her.

Sammenfiltrede boksider og “teleportasjon”

I eksemplet vårt over er den merkelige boken slike sammenfiltrede fotoner. De kinesiske forskerne har laget sammenfiltrede fotonpar og så sendt dem hundre kilometer gjennom luften i en lysstråle. De har altså ikke brukt fiberoptiske kabler eller noen annen type ledning, men rett og slett hatt en lyskaster ett sted og en (veldig kraftig og nøyaktig) mottaker et annet sted.

Selv om sammenfiltringen er kul i seg selv, var ikke dette poenget med eksperimentet. Forskerne ville overføre informasjon, slik vi gjorde med den hemmelige teksten i eksempelet. I eksperimentet er “teksten” et annet foton, og det vi skal overføre er all informasjonen som er viktig for fotonet.

Hva menes med “all informasjon”? Hva er det for eksempel som må til for å beskrive et helt menneske? Ganske så mye: Høyde, vekt, hårfarge, øyenfarge, antall hudceller, lengden på tåneglene, overflatearealet til de indre organene, for ikke å snakke om alle minner, personlighet og så videre. Et foton er derimot mye enklere - der trenger vi bare å vite hvor mye energi det har og et par-tre andre ting, og så er det fullstendig beskrevet. Hvis vi så klarer å overføre alle disse egenskapene på en gang, så blir det nye fotonet for alle praktiske formål identisk med det gamle - vi kan garantere at det er helt, helt likt.

Her kommer kvantemekanikken inn igjen. Det er vist at hvis man har et par sammenfiltrede fotoner, så er det mulig å ta et tredje foton, få det til å reagere med et av de sammenfiltrede, og plutselig så har vi gjort nettopp en slik flytting av all viktig informasjon. Hvis vi så på forhånd har dratt de to sammenfiltrede fotonene langt fra hverandre, så skjer det magiske: Vi ødelegger fotonet “her”, det vi skal overføre, men samtidig så dukker det opp et identisk et “der”, som vi så kan bruke videre. Det er dette vi kaller kvante-teleportasjon. Kanskje et stykke fra Star Trek, “beam me up”, Oslo-New York på seks millisekunder-type teleportasjon, men likevel. Det er det nærmeste vi kommer.

Kommunikasjon raskere enn lyset? (NEI!)

Overdrevet eller ikke - ser du den opplagte muligheten i kvante-teleportasjonen? Hvis det var så enkelt så hadde vi her hatt en måte å kommunisere raskere enn lyshastigheten på, så lenge vi først hadde sendt av gårde noen sammenfiltrede fotoner. Dette er dessverre ikke mulig. (Jeg gjentar, ikke mulig - filosofer gjerne, men det går ikke!) Grunnen er at det vi gjør når vi sender fotonet “her” koder informasjonen det har. Skal vi dekode det “der”, slik vi måtte i eksempelet med boken og agenten, så må vi ringe og fortelle hva som skjedde akkurat når vi sendte det. Dette er helt tilfeldig, og kan ikke gjettes på forhånd. Dermed kan vi overføre selve informasjonen, men ikke dekode den uten en vanlig, u-teleporterende informasjonslinje. På noen områder er Moder Natur veldig, veldig bestemt…

Sikker kommunikasjon - og kvante-datamaskiner

Sammenfiltring ble foreslått i 1931 og sett i eksperimenter i 1981. Kvante-teleportasjon er allerede vist og brukt. Hvorfor er det da så spennende at forskere nå har “teleportert” informasjon over 100 kilometer? Av - minst - tre grunner:

• For det første, som vi antydet i eventyret om boken, så er det mulig å overføre informasjon  absolutt sikkert på denne måten. Så lenge selve beskjeden - som vi kan kode inn i ett eller flere fotoner - ikke sendes gjennom noen ledning, så gjør det ikke noe at vi må dele kodenøkkelen. Den kunne likså godt vært lagt offentlig på nettet, det gjør ingenting. Fysikeren Anton Zeilinger og gruppen hans gjorde dette i et gimmick-eksperiment for noen år siden, og beviste at det er mulig både i prinsippet og i praksis. Nå har lengden vi har fått det til over blitt så stor at det er mulig å for eksempel kommunisere til og fra satelitter - som er nettopp det forskerne sier at er neste steg i planene deres.

• For det andre så er overføring av fotoner via teleportasjon det vi regner med å måtte gjøre internt i kvante-datamaskiner. Hva de er for noe har Simen Kvaal beskrevet på kollokvium.no, men hovedpoenget er at de i steden for å bare kunne tallene 0 og 1 slik vanlige PC'er kan vil være i stand til å bruke kvantetilstander. Disse kan representere uendelig lange tall, og da er det mye gøy vi kan gjøre som ikke går an med dagens tekniske vidundre. MEN: Å overføre disse kvantetilstandene har vist seg å være vanskelig. Den typen eksperimenter som kineserne her har gjort bringer kvantedatamaskiner nok et (muse)skritt nærmere, siden vi lærer mer og mer om hvordan vi kan kontrollere kvante-informasjonsbits.

• Den tredje grunnen har ingenting med teknologi å gjøre, men er mer grunnleggende. Det er fortsatt en del som ikke tror på tolkningen vi her har gitt av sammenfiltring, og mener at selv om eksperimentene er tydelige så er det ikke egentlig sånn at ting skjer “samtidig” på to steder langt fra hverandre. Et motargument har vært at tidligere eksperimenter har hatt fotonene såpass nært hverandre at det er vanskelig å garantere at de ikke kan kommunisere. Her har kineserne (og et Britisk/Canadisk team som har gjort det samme men ikke rukket å publisere enda, med blant andre nevnte Zeilinger på laget) vist sammenfiltring over en så stor avstand at dette motargumentet blir vanskelig å komme med. Lyset bruker mange mikrosekunder på å fly hundre kilometer, og det er et hav av tid for moderne fysikkeksperimenter. Det er nå enda vanskeligere enn før å finne en annen, mer intuitiv tolkning av eksperimentene på sammenfiltring.

Kvantefysikken vil nok aldri slutte å forbause oss, selv om vi etter hvert blir vant til den. Det vi ser i dag er at vi sakte men sikkert utvikler spennende teknologi basert på de sære egenskapene til naturens minste byggestener. Kvanterevolusjonen begynte kanskje allerede med halvlederen, men den er absolutt ikke ferdig enda.

PS: Det er av og til verdt å lese innledningene til tekniske vitenskapelige artikler selv om man ikke forventer å forstå dem, om ikke annet så for å lære noen nye ord. Her er et utdrag fra artikkelen som er kilde for denne bloggen:

Here we report quantum teleportation of independent qubits over a 97-kilometre one-link free-space channel with multi-photon entanglement. An average fidelity of 80.4 ± 0.9 per cent is achieved for six distinct states. Furthermore, we demonstrate entanglement distribution over a two-link channel, in which the entangled photons are separated by 101.8 kilometres. Violation of the Clauser–Horne–Shimony–Holt inequality is observed without the locality loophole. Besides being of fundamental interest, our results represent an important step towards a global quantum network.

Vakkert, er det ikke?

Kilde: Nature doi:10.1038/nature.2012.11163