For første gang er det mulig å se kvanteverdenen fra flere synsvinkler samtidig. Dette antyder noe veldig merkelig – at virkeligheten først tar form når vi samhandler med hverandre!
Forestill deg å nærme deg en renessanseskulptur i et galleri. Selv på avstand ser det imponerende ut. Men det er først når du kommer nærme og går rundt det at du virkelig begynner å sette pris på kvaliteten: vinkelen på kjeven, den aquiline nesen, mykheten i håret gjengitt i marmor.
I fysikk, som i livet, er det viktig å se ting fra mer enn ett perspektiv. Ettersom vi har gjort det i løpet av det siste århundret, har vi hatt mange overraskelser. Det startet med Albert Einsteins teori om spesiell relativitet, som viste oss at lengden på rommet og tiden varierer avhengig av hvem som ser. Den malte også et helt uventet bilde av den delte virkeligheten under - et der rom og tid ble smeltet sammen i en firedimensjonal forening kjent som rom-tid.
Da kvanteteorien kom noen år senere, ble ting enda rarere. Det så ut til å vise at ved å måle ting, spiller vi en rolle i å bestemme egenskapene deres. Men i kvanteverdenen, i motsetning til relativitetsteorien, har det aldri vært en måte å forene ulike perspektiver og skimte den objektive virkeligheten under. Et århundre senere stiller mange fysikere spørsmålstegn ved om det i det hele tatt eksisterer en enkelt objektiv virkelighet, som deles av alle observatører.
Nå er det to nye sett med ideer som endrer denne historien. For første gang kan vi hoppe fra ett kvanteperspektiv til et annet. Dette hjelper oss allerede med å løse vanskelige praktiske problemer med høyhastighetskommunikasjon. Det belyser også om noen delt virkelighet eksisterer på kvantenivå. Spennende nok ser svaret ut til å være nei – helt til vi begynner å snakke med hverandre.
Da Einstein utviklet sin relativitetsteori på begynnelsen av 1900-tallet, jobbet han ut fra en grunnleggende antakelse: fysikkens lover skulle være de samme for alle. Problemet var at elektromagnetismens lover krever at lys alltid reiser med 299 792 kilometer i sekundet, og Einstein innså at dette skaper et problem. Hvis du skulle rase sammen med en lysstråle i et romskip, ville du forvente å se strålen bevege seg mye saktere enn vanlig – akkurat som nabobiler ikke ser ut til å kjøre så fort når du glider langs motorveien. Men hvis det var tilfelle, ville fysikkens lover i det perspektivet bli brutt.
"I kvanteverdenen har det aldri vært en måte å forene forskjellige perspektiver og få et glimt av den delte virkeligheten under"
Einstein var overbevist om at det ikke kunne skje, så han ble tvunget til å foreslå at lysets hastighet er konstant for alle, uavhengig av hvor raskt de beveger seg. For å kompensere måtte rom og tid selv endres fra ett perspektiv til det neste. Relativitetslikningene tillot ham å oversette fra en observatørs perspektiv, eller referanseramme, til en annen, og ved å gjøre det bygge et bilde av den delte verdenen som forblir den samme fra alle perspektiver.
Han fortsatte med å utvikle disse ideene til generell relativitet, som fortsatt er vår beste teori om tyngdekraften. Men det er ikke hele historien. I Einsteins skrifter er referanserammer alltid definert av "staver og klokker", fysiske objekter som rom og tid måles mot. Disse objektene er imidlertid styrt av en helt annen teori.
Kvanteteori omhandler materie og energi og er enda mer vellykket enn relativitetsteori. Men det maler et dypt ukjent bilde av virkeligheten, et der partikler ikke har bestemte egenskaper før vi måler dem, men eksisterer i en superposisjon av flere tilstander. Den viser også at partikler kan bli viklet inn, deres egenskaper nært knyttet selv over store avstander. Alt dette setter definisjonen av en referanseramme på vaklende grunn. Hvordan måler du tid med en klokke som er sammenfiltret, eller avstand med en linjal som er på flere steder samtidig?
Kvantefysikere unngår vanligvis dette spørsmålet ved å behandle måleinstrumenter som om de adlyder de klassiske mekanikkens lover utviklet av Isaac Newton. Partikkelen som måles er kvante; referanserammen er ikke det. Skillelinjen mellom de to er kjent som Heisenberg-kuttet. Den er vilkårlig og den er flyttbar, men den må være der slik at måleenheten kan registrere et sikkert resultat.
Tenk på Schrödingers katt, tankeeksperimentet der en uheldig katt er i en boks med en radioaktiv partikkel. Hvis partikkelen forfaller, utløser den en hammer som knuser et hetteglass som slipper ut en gift som dreper katten. Hvis den ikke gjør det, lever katten. Du er utenfor boksen. Fra ditt perspektiv er innholdet sammenfiltret og i en superposisjon. Partikkelen både har og har ikke forfalt; katten er både død og levende. Men, som i relativitetsteorien, burde det ikke være mulig å beskrive situasjonen fra kattens perspektiv?
Denne gåten har lenge plaget Časlav Brukner ved Institutt for kvanteoptikk og kvanteinformasjon i Wien, Østerrike. Han ønsket å forstå hvordan man kan se ting fra flere synsvinkler i kvanteteorien. Etter Einsteins ledelse, tok han utgangspunkt i antakelsen om at fysikkens lover må være de samme for alle, og utviklet deretter en måte å matematisk bytte mellom kvantereferanserammer. Hvis vi kunne beskrive en situasjon fra hver side av Heisenberg-kuttet, mistenkte Brukner at en viss sannhet om en delt kvanteverden kunne dukke opp.
Det Brukner og kollegene hans fant i 2019 var en overraskelse. Når du hopper inn i kattens synspunkt, viser det seg at – akkurat som i relativitetsteorien – må ting vri seg for å bevare fysikkens lover. Kvantiteten som tidligere ble tilskrevet katten, blir stokket over Heisenberg-kuttet. Fra dette perspektivet er katten i en bestemt tilstand - det er observatøren utenfor boksen som er i en superposisjon, viklet inn i laboratoriet utenfor. Entanglement ble lenge antatt å være en absolutt egenskap ved virkeligheten. Men i dette nye bildet er alt et spørsmål om perspektiv. "Hva som er kvante og hva som er klassisk avhenger av valget av kvantereferanserammer," sier Brukner.
Jacques Pienaar ved University of Massachusetts sier at alt dette lar oss stille noen fascinerende spørsmål strengt. Ta det velkjente dobbeltspalte-eksperimentet, som viste at en kvantepartikkel kan vandre gjennom to spalter i et gitter samtidig. "Vi ser at, i forhold til elektronet, er det spaltene i seg selv som er i en superposisjon," sier Pienaar. "For meg er det bare fantastisk." Selv om alt kan høres ut som ren teoretisering, er en ting som gir Brukners ideer troverdighet at de allerede har bidratt til å løse et vanskelig problem knyttet til kvantekommunikasjon (se "Flygende qubits").
Kvantereferanserammer har imidlertid en akilleshæl, om enn en som til slutt kan peke oss til en dypere forståelse av virkeligheten. Den kommer i form av «Wigners venn», et tankeeksperiment som fysikeren Eugene Wigner utviklet på 1950-tallet. Det gir en tankevekkende vri på Schrödingers puslespill.
Stilt overfor det vanlige oppsettet åpner Wigners venn esken og finner for eksempel at katten er i live. Men hva om Wigner selv står utenfor laboratoriedøren? I hans referanseramme er katten fortsatt i en superposisjon av levende og død, bare nå er den viklet sammen med vennen, som er i en superposisjon av å ha-sett-en-levende-katt og å ha-sett-en-død- katt. Wigners beskrivelse av katten og vennens beskrivelse av den utelukker hverandre, men i følge kvanteteorien har de begge rett. Det er et dypt paradoks som ser ut til å avsløre en splittet virkelighet.
Brukners regler hjelper ikke her. Vi kan ikke hoppe fra den ene siden av Heisenberg-snittet til den andre fordi de to personene bruker forskjellige kutt. Venninnen har snittet mellom seg selv og boksen; Wigner har det mellom seg selv og laboratoriet. De stirrer ikke på hverandre fra over det klassiske kvanteskillet. De ser ikke på hverandre i det hele tatt. "Mine kolleger og jeg håpet at Wigners vennesituasjon kunne omformuleres i kvantereferanserammer," sier Brukner. Men så langt har det ikke vært mulig. «Jeg vet ikke,» sukker han. "Det mangler et element."
Informasjon om hva det kan være, kommer fra arbeid av Flavio Mercati ved universitetet i Burgos i Spania og Giovanni Amelino-Camelia ved universitetet i Napoli Federico II i Italia. Forskningen deres ser ut til å antyde at ved å utveksle kvanteinformasjon kan observatører skape en delt virkelighet, selv om den ikke er der fra starten.
Duoen ble inspirert av forskning utført i 2016 av Markus Müller og Philipp Höhn, begge da ved Perimeter Institute i Waterloo, Canada, som forestilte seg et scenario der to personer, Alice og Bob, sender hverandre kvantepartikler i en bestemt tilstand av "spinn". Spinn er en kvanteegenskap som kan sammenlignes med en pil som kan peke opp eller ned langs hver av de tre romlige aksene. Alice sender Bob en partikkel og Bob må finne ut av spinn; så forbereder Bob en ny partikkel med samme spinn og sender den tilbake til Alice, som bekrefter at han fikk det riktig. Vrien er at Alice og Bob ikke kjenner den relative orienteringen til referanserammene deres: den enes x-akse kan være den andres y-akse.
Hvis Alice sender Bob bare én partikkel, vil han aldri kunne dekode spinnet. Noen ganger i fysikk henger to variabler sammen på en slik måte at hvis du måler den ene nøyaktig, eksisterer ikke den andre lenger i en bestemt tilstand. Dette vanskelige problemet, kjent som Heisenberg-usikkerhetsprinsippet, gjelder partiklers spinn langs forskjellige akser. Så hvis Bob ønsker å måle spinn langs det han tror er Alices x-akse, må han gjette vill på hvilken akse det egentlig er – hvis han tar feil, sletter han all informasjonen. Paret kan imidlertid komme seg rundt dette hvis de utveksler mange partikler. Alice kan fortelle Bob: "Jeg sender deg 100 partikler som alle spinner 'opp' langs x-aksen." Etter hvert som Bob måler flere og flere av dem, kan han begynne å regne ut den relative orienteringen til referanserammene deres.
Her blir det interessant. Müller og Höhn innså at ved å gjøre alt dette, utleder Alice og Bob automatisk ligningene som gjør deg i stand til å oversette utsikten fra ett perspektiv til et annet i Einsteins spesielle relativitetsteori. Vi har en tendens til å tenke på rom-tid som den eksisterende strukturen som observatører kommuniserer gjennom. Men Müller og Höhn snudde historien. Start med observatører som sender meldinger, og du kan utlede rom-tid.
For Mercati og Amelino-Camelia, som først kom over verket for noen år siden, var den vendingen et lyspære-øyeblikk. Det reiste et nøkkelspørsmål som viser seg å ha en avgjørende betydning for Brukners arbeid: lærer Alice og Bob om en allerede eksisterende rom-tid, eller dukker romtiden opp mens de kommuniserer?
Gjør litt plass
Det er to måter sistnevnte kan spille ut på. Den første har å gjøre med avveiningen i kvantemekanikk mellom informasjon og energi. "For å få informasjon om et kvantesystem må du betale energi," sier Mercati. Hver gang Bob velger riktig akse, mister han litt energi; når han velger feil og sletter Alices informasjon, får han noe. Fordi krumningen av rom-tid avhenger av energien som er tilstede, når Bob måler sin relative orientering, ender han også opp med å endre orienteringen litt.
Det kan være en dypere betydning der kvantekommunikasjon skaper rom-tid. Dette spiller inn hvis plass er det som kalles "ikke-kommutativt". Hvis du ønsker å komme til et punkt på et vanlig kart, spiller det ingen rolle i hvilken rekkefølge du angir koordinatene. Du kan gå over fem og opp to; eller opp to og over fem – uansett vil du lande på samme sted. Men hvis kvantemekanikkens lover gjelder rom-tid selv, er dette kanskje ikke sant. På samme måte som å kjenne en partikkels posisjon hindrer deg i å måle momentumet, kan det å gå over fem hindre deg i å gå opp to.
Mercati og Amelino-Camelia sier at hvis rom-tid fungerer på denne måten, ville Alice og Bobs forsøk på å finne ut deres relative orientering ikke bare avdekke strukturen til rom-tid, de ville aktivt forfalske den. Valgene de tar med hensyn til hvilke akser de skal måle, ville endre selve det kommunikasjonen deres var ment å avsløre. Paret har også utviklet en måte å teste om dette virkelig er tilfelle (se "Pendler rom-tid?").
Alt dette arbeidet peker mot en oppsiktsvekkende konklusjon: at når mennesker utveksler kvanteinformasjon, samarbeider de for å konstruere sin gjensidige virkelighet. Det betyr at hvis vi bare ser på rom og tid fra ett perspektiv, savner vi ikke bare dens fulle skjønnhet, men det er kanskje ikke noen dypere delt virkelighet. For Mercati og Amelino-Camelia gjør en observatør ikke en rom-tid.
Det fører oss tilbake til Wigners venneparadokset som gjorde Brukner urolig. I hans arbeid kan observatører behandles som å ha perspektiver på den samme virkeligheten bare når de stirrer på hverandre fra den andre siden av Heisenberg-snittet. Eller sagt på en annen måte, bare når det er mulig for dem å kommunisere, noe som er nettopp det Wigner og vennen hans ikke kan gjøre. Kanskje dette forteller oss at inntil to mennesker samhandler, deler de ikke den samme virkeligheten - fordi det er kommunikasjonen i seg selv som skaper den.
Nettverk av kabler som bærer kvanteinformasjon blir allerede satt opp rundt om i verden som en prototype av kvanteinternett. Disse nettverkene transporterer informasjon i form av qubits, eller kvantebiter, som kan kodes inn i egenskapene til partikler - typisk i en kvanteegenskap kalt spinn. En person sender en strøm av partikler til en annen, som deretter måler spinn for å dekode meldingen.
Bortsett fra, ikke så fort. For å være et nyttig kommunikasjonsmiddel må disse partiklene reise nærme lysets hastighet. Ved slike hastigheter blir en partikkels spinn "kvanteviklet" med momentumet på en slik måte at hvis mottakeren bare måler spinnet, vil informasjon gå tapt. "Dette er alvorlig," sier Flaminia Giacomini ved Perimeter Institute i Canada. "Qubiten er grunnlaget for kvanteinformasjon, men for en partikkel som beveger seg med svært høye hastigheter, kan vi ikke lenger identifisere en kvantebit." Som om det ikke var et problem nok, beveger ikke hver qubit seg med en bestemt hastighet: takket være kvantemekanikken er den i det som er kjent som en superposisjon av hastigheter.
Reglene for kvantereferanserammer utviklet av Časlav Brukner (se hovedhistorien) kan være svaret. Giacomini har vist hvordan reglene kan brukes til å hoppe inn i partikkelens referanseramme, selv når partikkelen er i en superposisjon. Fra det perspektivet er det resten av virkeligheten som suser forbi i en uskarp superposisjon. Bevæpnet med kunnskap om hvordan qubiten ser verden, kan du deretter bestemme den matematiske transformasjonen som skal utføres på partikkelen for å gjenopprette informasjonen i den originale qubiten.
I det vanlige rommet er det ikke reisen som betyr så mye som destinasjonen. Hvis du prøver å komme til et gitt sted, spiller det ingen rolle om du drar 5 kilometer sørover og deretter 3 kilometer vestover, eller omvendt. Det er fordi koordinatene "pendler"; de får deg til samme sted uansett rekkefølge.
I svært små skalaer som kvanteteorien gjelder for, er dette kanskje ikke sant. I kvanteteori sletter måling av en partikkels posisjon informasjon om dens momentum. Tilsvarende kan det være at rekkefølgen bevegelsene gjøres i kan påvirke rommets struktur. Hvis dette er tilfelle, gir det ingen mening å snakke om romtid som en fast arena.
Fysikerne Flavio Mercati og Giovanni Amelino-Camelia tror de har en måte å finne ut om rom-tid pendler. De ble inspirert av forskning som forestilte seg to personer som utvekslet kvantepartikler og målte egenskapene deres for å utlede deres relative orientering (se hovedhistorien). Hva ville skje, spurte Mercati og Amelino-Camelia, hvis dette spillet ble spilt på ekte?
Etter hvert som folk utveksler flere og flere partikler, bør usikkerheten deres om orienteringen avta. Men kommer det noen gang til null? I vanlig rom-tid vil det gjøre det. Men hvis rom-tid er ikke-kommutativ, vil det alltid forbli noe usikkerhet, siden deres orientering er aldri så litt omskrevet med hver måling. Paret må kanskje utveksle billioner av partikler før vi får et svar – men Mercati mener det er verdt et forsøk.
Comments