Här är något fascinerande inom fysiken: det finns regler som styr de minsta partiklarna inuti atomer, och dessa regler är besynnerliga. Besynnerliga på den nivå som Einstein kallade för ”spöklik verkan på avstånd”. Vi talar om kvantentanglement – fenomenet där två partiklar blir så djupt sammankopplade att vad som händer med den ena omedelbart påverkar den andra, oavsett hur långt borta de är.
Jag minns första gången jag hörde talas om detta på universitetet; min hjärna kändes som att den kortslöt. Hur kan två partiklar på var sin sida av universum vara sammankopplade? Är inte detta supposed to be impossible?
Tja, Einstein tyckte också det. Han var ingen fan. Han ansåg att partiklar borde ha sin egen oberoende verklighet, och entanglement verkade kränka den sunda förnuftsnotionen. Men saken är den – decennier av experiment har bevisat att Einstein hade fel. Entanglement är verkligt, det är märkligt, och det kan mycket väl vara grunden för nästa revolution inom teknologin.
Varför detta är viktigare än du kanske tror
Entanglement är inte bara en fysikalisk kuriositet. Det är ryggraden i framväxande teknologier som kan omforma allt från säker kommunikation till beräkningskraft som får dagens superdatorer att se ut som miniräknare.
Problemet är att faktiskt använda entanglement i praktiska enheter har varit otroligt svårt. Det är en sak att bevisa att partiklar är entangled i ett laboratorium – en annan att på ett tillförlitligt sätt skapa, manipulera och identifiera specifika entangleda tillstånd för praktiska tillämpningar.
Under de senaste 25 åren har forskare haft en solid metod för att identifiera en typ av entangled tillstånd (kallat GHZ-tillståndet), men en annan avgörande typ – W-tillståndet – har varit envist svårt att fastställa. Tänk dig att ha ett pålitligt verktyg för en typ av lås men ingenting för en annan, lika viktig, typ.
Tills nu.
”Aha!”-ögonblicket: att utnyttja symmetri
Här blir den nya forskningen genuint spännande. Forskare vid Kyoto University och Hiroshima University har funnit en smart metod för att identifiera W-tillstånd genom att utnyttja något som kallas cyklisk skiftsymmetri.
Låt mig förklara vad det innebär i icke-matematiska termer.
Föreställ dig att du har tre fotoner (ljuspartiklar) som är entangled i ett W-tillstånd. Föreställ dig nu att du kan förskjuta deras arrangement i en repeterande cykel – som att rotera platser vid ett runt bord – och att det underliggande mönstret förblir igenkännbart. Det är denna symmetri som forskarna använde som sin ankarpunkt.
Med hjälp av denna egenskap designade de en kvantkrets som i princip kan ”se” ett entangled tillstånd och fastställa vad det är genom en enda mätning, snarare än att kräva den traditionella metoden att samla stora mängder data och sedan rekonstruera tillståndet beräkningsmässigt.
Skillnaden är som skillnaden mellan att lösa ett pussel genom trial-and-error och att få svaret av någon som förklarar hur de visste. One-shot-ansatsen är dramatiskt mer effektiv.
Vad detta innebär för framtiden
Här blir min inre tekniknörd riktigt exalterad.
Detta genombrott främjar direkt kvantteleportation – vilket, trots namnet, inte innebär att materia strålas någonstans (tyvärr, Star Trek-fans). Istället handlar det om att överföra kvantinformation från en plats till en annan med hjälp av entanglement. Det är i huvudsak kvantinternetens motsvarighet till att skicka ett meddelande.
Den nya mättekniken kan också accelerera utvecklingen av:
- Kvantkommunikationsnätverk som teoretiskt sett är ohackbara
- Mätningsbaserade kvantberäkningsansatser som kan vara enkl