Kvantesamanfiltring

Kvantesamanfiltring (eng. quantum entanglement) er eit kvantemekanisk fenomen, der to eller fleire kvantemekaniske objekt, som elektron, foton eller molekyl, må skildrast som ein heilskap om dei har vore så nær kvarandre at dei har påverka kvarandre. Ein seier at dei har vorte samanfiltra. Den kvantemekaniske teorien seier så at sjølv om avstanden mellom dei samanfiltra partiklane vert stor, til dømes avstanden frå jorda til månen, så må dei reknast som same system. Og måler ein den eine partikkelen, vil ein samstundes ha avgjort eigenskapane til den andre partikkelen, uavhengig av avstanden mellom dei. I tillegg seier teorien at eigenskapane til begge partiklane ikkje vert avgjort før ein måler den eine av dei. Kvantesamanfiltring er kanskje derfor den delen av kvantemekanikken det kan vere vanskelegast å fatte.

Faktisk var det så vanskeleg for Albert Einstein å godta dette at han meinte den kvantemekaniske teorien i beste fall var mangelfull. Einstein godtok ikkje oppfatninga om at to partiklar tilsynelatande kunne «kommunisere» over store avstandar, sidan lysfarten set ei avgrensing for kor raskt informasjonen kan flytte seg. Kvantemekanikken seier derimot at det ikkje er informasjon som flyttar seg mellom dei to partiklane, men at dei heile tida er ein del av det same, samanfiltra systemet, uavhengig av avstanden mellom dei. Einstein forska mykje på dette fenomenet i den seinare forskinga si i USA.

Forklaring
Når me observerer partiklar seier me vanlegvis at kvar partikkel har sin eigen kvantetilstand. Stundom kan to partiklar påverke kvarandre og verte eit samanfiltra system. Når eit par eller ei gruppe partiklar vert samanfiltra, kan dei berre skildrast som ein enkel, stor kvantetilstand, og ikkje som ei mengd små kvantetilstandar sett i saman. Me seier at dei har vorte «samanfiltra».

Samanfiltring mellom partiklar oppstår fordi dei kan påverke kvarandre, nett som store lekamar kan. Om ingenting anna verkar på desse partiklane, så er det visse ting før og etter partiklane verkar på kvarandre som vert verande dei same. Til dømes vert den totale rørslemengda til begge partiklane den same før og etter dei har vekselverka. Ein annan er spinn. To samanfiltra elektron vil alltid spinne kvar sin veg.

Heisenbergs uskarpleiksrelasjon seier oss at me aldri kan vite noko om eigenskapane til partiklane, til dømes eit elektron, før me måler. Ein kan seie noko om sannsynet for kvar eit elektron er, og nokre stader er meir sannsynlege enn andre, men kvar det faktisk er går ikkje an å rekne seg fram til nøyaktig, og før ein måler kvar det er kan det i røynda vere kvar som helst.

Det same gjeld spinnet til elektronet. Ein kan ikkje rekne seg fram til kva retning eit elektron spinn rundt, men det vert først avgjort i det ein måler det. Det vil då anten rotere med klokka, eller mot klokka. Ein kan samanlikne elektronet med eit lykkehjul delt inn i raude og blå felt. Når lykkehjulet stoppar å rotere, stoppar det anten på eit raudt eller eit blått område. To samanfiltra elektron kan samanliknast med to lykkehjul. Når det eine lykkehjulet landar på raudt, vil det andre alltid garantert lande på blått, og omvendt. Dette vil gjelde sjølv om det eine lykkehjulet står på jorda, og det andre på månen: om det eine landar på raudt, vil det andre lande på blått. Kvantemekanikken seier at ein ikkje kan vite noko om spinnet til elektrona før ein måler det. Når ein då måler det eine elektronet, vil ein altså ikkje berre påverke det eine elektronet ein målar på, men òg det andre elektronet (som til dømes då kan vere på månen). Denne påverknaden av det andre elektronet som ein ikkje måler på skjer momentant, same kor stor avstand der er mellom elektrona. Dette er tilsynelatande i strid med relativitetsteorien der ingenting kan flytte seg raskare enn lysfarten.

Historie 
I følgje dei kvantefysiske formlane til Niels Bohr fører målinga til at ein tvingar partikkelen til å gje opp alle dei andre stadane elektronet kunne ha vore og berre vel ein enkel stad å vere. Bohr meinte det var sjølve målinga som «tvingar» partikkelen til å «velje» kvar han er. Dette var noko av det som gjorde at Albert Einstein mislikte teorien som gav grunnlag for kvantemekanikken.

Einstein var overtydd om at noko mangla i teorien, noko som kunne skildre eigenskapane til alle partiklar, som plasseringa deira sjølv når ein ikkje observerer dei. Han meinte at det kvantefysikarane hadde kome fram til så langt nok var riktig, men han meinte òg at teorien var ufullstendig. Bohr valde likevel å fortsette å tru at teorien hans var fullstendig, noko som fekk Einstein til å ytre det kjende sitatet sitt: «Gud kastar ikkje terningar». I lag med medarbeidarane sine, Boris Podolsky og Nathan Rosen, nytta Einstein i 1935 samanfiltringa til å syne det han meinte var akilleshælen til kvantemekanikken, i det som vert kalla EPR-paradokset. Einstein sa mellom anna «Eg likar å tru at månen er der, sjølv når eg ikkje kikkar på han.» Erwin Schrödinger snakka òg om samanfiltring i artikkelen der han skildrar Schrödingers katt.

Einstein meinte at kvantepartiklar ikkje på noko måte kunne påverke kvarandre raskare enn lysfarten og kalla samanfiltringa «spooky action at a distance» eller «skummel handling over avstand». Einstein klarte ikkje å godta at naturen kunne vere slik, men at det måtte vere ein feil i matematikken ein stad. Han gjekk med på at samanfiltra partiklar kunne eksisterte, men meinte at det hadde ei enklare forklaring på kvifor dei var knytte saman, og at det ikkje involverte ei form for kommunikasjon mellom dei. Einstein samanlikna samanfiltra partiklar med eit på hanskar. Tenk deg at nokon legg to hanskar av eit hanskepar i kvar sin boks. Du mottar den eine boksen, og den andre vert send ein stad langt borte. Når du opnar boksen og til dømes ser at det er ein venstrehendt hanske, så veit du samstundes, i same augneblink, at hansken i den andre boksen er høgrehendt, uansett kor langt borte han er og utan at nokon har kontrollert den andre boksen. Med hanskane er det slik fordi boksen du mottar alltid har inneheldt den venstrehendte hansken. Det vart ikkje avgjort undervegs kva hanske som låg kor. Einstein meinte at den same ideen òg gjeldt for samanfiltra partiklar, at uansett kva konfiguarsjon dei har, så er det avgjort i den augneblinken dei går kvar sin veg, før ein gjer målingar.

Det var lenge eit ope spørsmål kven som hadde rett, Einstein eller Bohr, og sidan det lenge ikkje var mogeleg å utføre eksperiment som viste kven som hadde rett, vart heile spørsmålet rekna som filosofisk, ikkje vitskap. Einstein døydde i 1955, framleis overtydd om at den kvantemekaniske teorien var ufullstendig.

Fleire år seinare kom John Bell fram til eit teorem som kunne vise om to partiklar verkeleg kommuniserte gjennom «skummel handling», som dei «magiske» lykkehjula, eller ikkje. Bell synte at det var mogeleg å sette opp eit eksperiment som gjorde det mogeleg å gjere desse målingane på to samanfiltra partiklar.

Det vart laga ein maskin som kunne samanlikne tusenvis av partikkelpar og samanlikne dei i forskjellige retningar. I Aspect-eksperimentet vart ein slik maskin nytta der to partiklar vart målt på ein slik måte at det var nøydd til å vere ein «skummel handling» mellom dei, der informasjonen tilsynelatande reiste raskare enn lyset. Eksperimentet er gjenteke mange gonger seinare og stadfesta at den kvantemekaniske teorien som Bohr utvikla var riktig og at Einstein hadde feil på dette området.

Bruk 
Det vert i dag forska på kva kvantesamanfiltring kan nyttast til. Det kan mellom anna nyttast til å sende krypterte meldingar, som ikkje ein gong i teorien kan fangast opp av uvedkommande. Mellom anna nytta ein bank i Wien seg av samanfiltring til å sende kryptert data alt i 2006. Eit anna område er å lage datamaskiner som er raskare enn det ein før trudde var mogeleg. Det er derimot vanskeleg å hanskast med samanfiltra partiklar, sidan dei er særs skjøre og lett kan øydeleggjast. Det vert derfor i dag forska på korleis ein kan gjere systema sterkare slik at samanfiltringa vert sterkare og varer lengre.

Sjølv om ein kan gjere ting med ein partikkel for å endre den andre partikkelen, kan ein ikkje nytte dette i seg sjølv til å sende informasjon frå den eine til den andre, fordi det er berre mogeleg å kontrollere kor sannsynleg det er at endringa vil skje. Utfallet av målinga på ein enkel partikkel er heilt tilfeldig, og det er først når ein har fått dette tilfeldige svaret at den andre partikkelen vert endra.

Sjå òg
 EPR-paradokset
 Bells ulikskap
 Aspect-eksperimentet

Kjelder
<div class="references-small">
Delar av denne artikkelen bygger på «Quantum entanglement» frå ,  den 1. mai 2013.  
 
Sammenfiltrede fotoner. (27.02.2013) I Store norske leksikon. Henta frå: http://snl.no/Sammenfiltrede_fotoner 

Kvanteinformatikk
Kvantemekanikk