Forrige måned kunngjorde milliardæren Yuri Milner og astrofysiker Stephen Hawking Breakthrough Starshot: en utrolig ambisiøs plan for å sende det første menneskeskapte romfartøyet til et annet stjernesystem i vår galakse. Et gigantisk laseroppsett kan lansere et apparatur i størrelse med mikrobrikke til en annen stjerne med 20% lyshastighet. Men det er uklart hvordan denne lille enheten ville være i stand til å kommunisere med oss gjennom det enorme interstellarommet. Hva med kvanteforviklinger? Kan det brukes på en slik forbindelse?
Denne ideen fortjener absolutt oppmerksomhet.
Se for deg to mynter, som hver kan komme opp hoder eller haler. Du har en mynt, jeg har en annen, og vi er ekstremt langt fra hverandre. Vi kaster myntene våre i luften, fanger dem og smeller dem på bordet. Før vi ser på et stykke som har landet, regner vi med en sannsynlighet på 50/50 for å komme opp haler, og selvfølgelig også hoder. I et vanlig, ufiltrert univers vil resultatene og mine være uavhengige av hverandre. Hvis du kommer opp haler, har mynten min 50% sjanse for å falle hoder eller haler. Men under visse forhold kan disse resultatene være forvirrende: hvis du kjører dette eksperimentet og får haler, vil du vite at mynten min har 100% sjanse for å vise hoder før jeg til og med forteller deg det. Du vil vite om det med en gang, selv om vi er atskilt av lysår og ikke et eneste sekund har gått.
I kvantefysikk vikler vi vanligvis ikke mynter, men individuelle partikler, for eksempel elektroner og fotoner, hvor for eksempel hvert foton kan ha et spinn på +1 eller -1. Hvis du måler spinnet til ett foton, kjenner du øyeblikkelig spinnet til en annen, selv om det er et halvt univers borte fra oss. Inntil du måler spinnet til ett foton, eksisterer de begge i en ubestemt tilstand; men så snart en er blitt målt, vet du øyeblikkelig om det. På jorden gjennomførte vi et slikt eksperiment, og skilte to sammenfiltrede fotoner med mange kilometer og målte spinnene deres over et nanosekund. Det viste seg at hvis vi måler spinnet til en, og det viser seg å være +1, finner vi ut at spinnet til den andre -1 er 10.000 ganger raskere enn lysets hastighet kunne tillate oss.
Og her er spørsmålet: kunne vi bruke denne egenskapen - kvanteforvikling - til å kommunisere med et fjernt stjernesystem? Svar: ja, hvis vi vurderer å ta en måling på et eksternt sted som en form for kommunikasjon. Men når du sier tilkobling, vil du vanligvis vite noe om stedet du kobler til. Du kan for eksempel holde en viklet partikkel i ubestemt tilstand, sende den ombord i et romfartøy til en nærliggende stjerne og fortelle den om å lete etter tegn til steinete planeter innenfor den stjernens beboelige sone. Ser han en, gjør han en måling, noe som fører til at partikkelen din vil være i tilstand +1, og hvis ikke, så vil målingen vise at partikkelen din er i tilstand -1.
Salgsfremmende video:
Så antar du at en partikkel på jorden skal være i tilstand -1 når du måler den, noe som vil indikere at romskipet har funnet en planet i den beboelige sonen, eller i tilstand +1, som vil indikere at enheten har en planet ikke funnet. Hvis du vet at det er foretatt en måling, kan du ta din egen måling og umiddelbart vite om tilstanden til en annen partikkel, selv om det er mange lysår unna.
Bølgemønster for elektroner som går gjennom en dobbel spalte. Hvis du måler hvilken spalte elektronet går gjennom, vil du ødelegge mønsteret av kvanteforstyrrelser.
Planen er fin. Men det er et problem: sammenfiltring fungerer bare hvis du spør partikkelen: i hvilken tilstand er du i? Hvis du plasserer en sammensveiset partikkel i en viss tilstand, bryter du sammenfiltringen, og målingen på jorden vil være helt uavhengig av målingen til en fjern stjerne. Hvis du bare målte en fjern partikkel (og fant ut: +1 eller -1), vil målingen din på jorden også være henholdsvis -1 eller +1 (og gi deg informasjon om en partikkel som ligger lysår borte fra deg). Hvis du fordyper en partikkel i +1 eller -1, vil uansett resultat partikkelen din på jorden ha 50% sannsynlighet for +1 eller -1 og vil ikke si noe om partikkelen i mange lysår.
Dette er en av de mest misforståtte tingene i kvantefysikk: sammenfiltring kan brukes til å skaffe informasjon om en komponent i et system når du vet dens fulle tilstand og måler en annen komponent (er), men ikke for å opprette og overføre informasjon fra en del av et sammenfiltret system til et annet. … Derfor er det ingen mulighet for kommunikasjon raskere enn lys.
Kvanteforviklinger er en fantastisk egenskap som vi kan bruke til mange forskjellige ting, som et perfekt krypteringssystem for informasjon. Men kommunikasjonen er raskere enn lys? For å forstå hvorfor dette ikke er mulig, må vi forstå en sentral egenskap for kvantefysikken: at med en kraftig stuping av i det minste en del av et sammenfiltret system i en tilstand forhindrer deg i å få informasjon om dette stupet gjennom å måle resten av systemet. Som Niels Bohr en gang påpekte, "hvis kvantemekanikk ennå ikke har sjokkert deg dypt, har du ennå ikke forstått det."
Universet spiller terninger med oss hele tiden, mye til Einsteins skjellsord. Selv våre beste forsøk på å jukse i dette spillet blir hentet ut av naturen.
