Förra månaden tillkännagav miljardären Yuri Milner och astrofysiker Stephen Hawking Breakthrough Starshot: en otroligt ambitiös plan för att skicka det första mänskliga rymdfarkosten till ett annat stjärnsystem i vår galax. En gigantisk laseruppsättning skulle kunna lansera en mikrochipstorlek till en annan stjärna med 20% ljus hastighet. Men det är oklart hur denna lilla enhet skulle kunna kommunicera med oss genom det stora interstellära utrymmet. Vad sägs om kvantförvirring? Kan det tillämpas på en sådan anslutning?
Denna idé förtjänar verkligen uppmärksamhet.
Föreställ dig två mynt, som var och en kan komma upp huvud eller svansar. Du har ett mynt, jag har ett annat, och vi är extremt långt ifrån varandra. Vi slänger våra mynt i luften, fångar dem och slår dem på bordet. Innan vi tittar på en bit som har landat, förväntar vi oss en sannolikhet på 50/50 för att komma upp svansar, och naturligtvis också. I ett vanligt, otrasslat universum kommer dina resultat och mina att vara oberoende av varandra. Om du kommer upp svansar, har mitt mynt 50% chans att falla huvud eller svansar. Men under vissa förhållanden kan dessa resultat vara förvirrande: om du kör detta experiment och får svansar, kommer du att veta att mitt mynt har 100% chans att visa huvuden innan jag ens säger er. Du vet om det direkt, även om vi är åtskilda av ljusår och inte en enda sekund har gått.
I kvantfysiken förfiltrar vi vanligtvis inte mynt, utan enskilda partiklar, såsom elektroner och fotoner, där till exempel varje foton kan ha en snurr på +1 eller -1. Om du mäter snurret på en foton känner du genast igen en annan, även om det är ett halvt universum borta från oss. Tills du mäter snurret på en foton finns de båda i ett obestämt tillstånd; men så snart en har uppmättts, vet du direkt om det. På jorden genomförde vi ett sådant experiment, separerade två intrasslade fotoner med många kilometer och mätte deras snurr över ett nanosekund. Det visade sig att om vi mäter vridningen på en och det visar sig vara +1, ser vi ut att det andra -1-snurret är 10.000 gånger snabbare än ljusets hastighet kunde tillåta oss.
Och här är frågan: kan vi använda den här egenskapen - kvantförvirring - för att kommunicera med ett avlägset stjärnsystem? Svar: ja, om vi överväger att ta en mätning på en avlägsen plats som en form av kommunikation. Men när du säger anslut, vill du vanligtvis veta något om platsen du ansluter till. Du kan till exempel hålla en intrasslad partikel i ett obestämd tillstånd, skicka den ombord på ett rymdskepp till en närliggande stjärna och säga att den ska leta efter tecken på klippiga planeter inom den stjärns bebodliga zonen. Ser du en, gör han en mätning, vilket leder till att din partikel kommer att vara i tillstånd +1, och om inte, så kommer mätningen att visa att din partikel är i tillstånd -1.
Kampanjvideo:
Så antar du att en partikel på jorden borde vara i tillstånd -1 när du mäter den, vilket indikerar att rymdskeppet har hittat en planet i den bebodda zonen, eller i tillstånd +1, vilket indikerar att rymdskeppet har en planet hittades inte. Om du vet att en mätning har gjorts kan du ta din egen mätning och omedelbart veta om tillståndet för en annan partikel, även om det är många ljusår bort.
Vågmönster för elektroner som passerar genom en dubbel slits. Om du mäter vilken slits elektronen passerar genom kommer du att förstöra mönstret för kvantinterferens.
Planen är bra. Men det finns ett problem: förvirring fungerar bara om du frågar partikeln: i vilket tillstånd är du i? Om du placerar en intrasslad partikel i ett visst tillstånd, bryter du intrasslingen, och mätningen på jorden kommer att vara helt oberoende av mätningen av en avlägsen stjärna. Om du helt enkelt mätte en avlägsen partikel (och fick reda på: +1 eller -1), kommer din mätning på jorden också att vara -1 eller +1 (respektive) och kommer att ge dig information om en partikel som ligger ljusår bort från dig. Om du fördjupar en partikel i tillståndet +1 eller -1, oavsett resultat, kommer din partikel på jorden att ha en 50% sannolikhet på +1 eller -1 och kommer inte att säga något om partikeln under många ljusår.
Detta är en av de mest missförstådda sakerna i kvantfysik: förvirring kan användas för att få information om en komponent i ett system när du känner till dess fulla tillstånd och mäter en annan komponent (er), men inte för att skapa och överföra information från en del av ett intrasslat system till ett annat. … Därför finns det ingen möjlighet för kommunikation snabbare än ljus.
Kvantförvirring är en fantastisk egenskap som vi kan använda för massor av olika saker, som ett perfekt krypteringssystem för information. Men kommunikationen är snabbare än ljus? För att förstå varför detta inte är möjligt, måste vi förstå en viktig egenskap hos kvantefysiken: att tvångsstoppning åtminstone en del av ett intrasslat system i ett tillstånd hindrar dig från att få information om detta steg genom att mäta resten av systemet. Som Niels Bohr en gång påpekade, "om kvantmekanik ännu inte har djupt chockat dig, har du ännu inte förstått det."
Universum spelar tärningar med oss hela tiden, mycket till Einsteins förtryllning. Även våra bästa försök att fuska i det här spelet tas fram av naturen.