Sidste måned annoncerede milliardæren Yuri Milner og astrofysiker Stephen Hawking Breakthrough Starshot: en utrolig ambitiøs plan for at sende det første menneskeskabte rumfartøj til et andet stjernesystem i vores galakse. En gigantisk laseropstilling kunne starte et mikrochipstørrelsesapparat til en anden stjerne med 20% lyshastighed. Men det er uklart, hvordan denne lille enhed ville være i stand til at kommunikere med os gennem det store interstellar rum. Hvad med kvanteforviklinger? Kan det anvendes på en sådan forbindelse?
Denne idé fortjener bestemt opmærksomhed.
Forestil dig to mønter, som hver kan komme op på hoveder eller haler. Du har en mønt, jeg har en anden, og vi er ekstremt langt fra hinanden. Vi kaster vores mønter i luften, fanger dem og smider dem på bordet. Inden vi ser på et stykke, der er landet, forventer vi en 50/50 sandsynlighed for at komme op haler, og selvfølgelig også hoveder. I et almindeligt, ufiltreret univers vil dine resultater og mine være uafhængige af hinanden. Hvis du kommer op haler, har min mønt en 50% chance for at falde hoveder eller haler. Men under visse betingelser kan disse resultater være forvirrende: hvis du kører dette eksperiment, og det får haler, vil du vide, at min mønt har en 100% chance for at vise hoveder, før jeg fortæller dig. Du vil vide det med det samme, selvom vi er adskilt af lysår, og ikke et eneste sekund er gået.
I kvantefysik sammenfiltrer vi normalt ikke mønter, men individuelle partikler, såsom elektroner og fotoner, hvor for eksempel hver foton kan have en drejning på +1 eller -1. Hvis du måler drejen på en foton, genkender du øjeblikkeligt spin til en anden, selvom det er et halvt univers væk fra os. Indtil du måler drejen på en foton, eksisterer de begge i en ubestemt tilstand; men så snart en er blevet målt, ved du med det samme om det. På Jorden udførte vi et sådant eksperiment, hvor vi adskilte to sammenfiltrede fotoner med mange kilometer og målte deres spins over et nanosekund. Det viste sig, at hvis vi måler drejen på en, og det viser sig at være +1, finder vi ud af, at drejningen af den anden -1 er 10.000 gange hurtigere, end lysets hastighed kunne tillade os.
Og her er spørgsmålet: kunne vi bruge denne egenskab - kvanteforvikling - til at kommunikere med et fjernstjernersystem? Svar: ja, hvis vi overvejer at tage en måling på et fjerntliggende sted som en form for kommunikation. Men når du siger forbindelse, vil du normalt gerne vide noget om det sted, du forbinder med. Du kan f.eks. Holde en sammenfiltret partikel i en ubestemmelig tilstand, sende den ombord på et rumfartøj til en nærliggende stjerne og fortælle den om at se efter tegn på klippeplaneter inden for den stjernes beboelige zone. Når han ser en, foretager han en måling, hvilket fører til det faktum, at din partikel er i tilstand +1, og hvis ikke, så viser målingen, at din partikel er i tilstand -1.
Salgsfremmende video:
Så antager du, at en partikel på Jorden skal være i tilstand -1, når du måler den, hvilket vil indikere, at rumfartøjet har fundet en planet i den beboelige zone, eller i tilstand +1, hvilket vil indikere, at enheden har en planet ikke fundet. Hvis du ved, at der er foretaget en måling, kan du tage din egen måling og øjeblikkeligt vide om tilstanden til en anden partikel, selvom det er mange lysår væk.
Bølgemønster for elektroner, der passerer gennem en dobbelt spalte. Hvis du måler, hvilken spalte elektronet passerer gennem, vil du ødelægge mønsteret for kvanteinterferens.
Planen er fin. Men der er et problem: sammenfiltring fungerer kun, hvis du spørger partiklen: i hvilken tilstand er du i? Hvis du placerer en sammenfiltret partikel i en bestemt tilstand, bryder du sammenfiltringen, og målingen på Jorden vil være fuldstændig uafhængig af målingen af en fjern stjerne. Hvis du blot målte en fjern partikel (og fandt ud af det: +1 eller -1), vil din måling på Jorden også være henholdsvis -1 eller +1 (og give dig information om en partikel placeret lysår væk fra dig). Hvis du nedsænker en partikel i tilstanden +1 eller -1, vil uanset resultatet, din partikel på Jorden have en 50% sandsynlighed for +1 eller -1 og vil ikke sige noget om partiklen i mange lysår.
Dette er en af de mest misforståede ting i kvantefysik: sammenfiltring kan bruges til at få information om en komponent i et system, når du kender dets fulde tilstand og måler en anden komponent (er), men ikke til at oprette og overføre information fra en del af et sammenfiltret system til et andet. … Derfor er der ingen mulighed for kommunikation hurtigere end lys.
Kvanteforvikling er en fantastisk egenskab, som vi kan bruge til en masse forskellige opgaver, som et perfekt krypteringssystem til information. Men kommunikation er hurtigere end lys? For at forstå, hvorfor dette ikke er muligt, er vi nødt til at forstå en nøgleegenskab inden for kvantefysik: at med magt at kaste en del af et sammenfiltret system ind i en tilstand forhindrer dig i at få information om dette spring gennem måling af resten af systemet. Som Niels Bohr engang påpegede, "hvis kvantemekanik endnu ikke har dybt chokeret dig, har du endnu ikke forstået det."
Universet spiller terninger med os hele tiden, meget til Einsteins sindelighed. Selv vores bedste forsøg på at snyde i dette spil bringes ud af naturen.