Första kvantsignalen från rymden

Att utnyttja det gåtfulla fenomen som kallas kvantsammanflätning i praktiken står högt på många forskares och ingenjörers önskelistor. Och nu har ett stort steg tagits – för första gången har kvantsammanflätade partiklar skickats ner till jorden från rymden.
Partiklarna skickades med laser från den kinesiska satelliten Micius ner till två teleskop på marken. Det krossar alla tidigare rekord och flyttar ­dessutom fram Kinas position i forskningsvärlden. Och kanske ser vi starten på en ­kvantkapplöpning.

När Kina i mitten av juni publicerade en studie där de beskrev hur de lyckats skicka sammanflätade fotoner hundratals kilometer från rymden ner till jorden så gav det eko i hela vetenskapsvärlden. Fenomenet sammanflätning är känt sedan länge och tidigare har andra forskare lyckats skicka sammanflätade partiklar flera kilometer. Men det här är i en helt annan skala.

Men vad handlar det då om, och varför är upphetsningen så stor? På ett sätt kan man säga att det handlar om magi. Fenomenet som ­kallas kvantsammanflätning är så märkligt att det ­skulle kunna förekomma i Harry Potters värld. Vi tar det från början:
Partiklar, till exempel fotoner, kan bara ha ­vissa bestämda egenskaper. De kan till exempel ha ­vissa bestämda mängder energi, men aldrig någonting mellan dessa mängder. En annan egenskap är spinn, som egentligen inte handlar om rotation utan är något som inte har en motsvarighet i den värld vi uppfattar och förstår. En foton kan ha spinn +1 eller –1 och inget annat. Spontant tänker man sig då att en foton bara kan befinna sig i något av dessa tillstånd, men i kvantvärlden är det inte så enkelt. Fotonen kan nämligen ha spinn +1 och –1 samtidigt – den kan befinna sig i superposition, som det kallas. Det är inte förrän man vill mäta egenskapen som ett ­bestämt värde uppkommer. Man säger att superpositionen ­kollapsar när fotonen bestämmer sig för om den har spinn +1 eller –1.

Vetenskapen har nu kommit så långt att man kan framställa fotoner i superposition i par. Det intressanta är att de då blir sammanflätade – de befinner sig i samma kvantsystem och kan betraktas som en enhet, trots att det är två ­partiklar. När man mäter vilket spinn de har, så visar det sig att om den ena har spinn +1 så har den andra spinn –1. De har aldrig samma.

Kvantsammanflätning innebär att två partiklar är knutna till varandra och befinner sig i superposition – de har alla möjliga egenskaper samtidigt, enkelt uttryckt. När en partikel läses av bestämmer den sig för vilken egenskap den ska ha, och den andra får då motsatt i samma ögonblick.

Kvantsammanflätning innebär att två partiklar är knutna till varandra och befinner sig i superposition – de har alla möjliga egenskaper samtidigt, enkelt uttryckt. När en partikel läses av bestämmer den sig för vilken egenskap den ska ha, och den andra får då motsatt i samma ögonblick.

Men för att få veta vilken foton som har vilket spinn, så måste man alltså mäta dem. Innan dess befinner de sig i superposition och har inte bestämt sig för vilken av dem som har vilket spinn.

Och det är här magin kommer in. När man mäter den ena fotonen och superpositionen för den kollapsar – så sker omedelbart samma sak med den andra. Oavsett hur långt från varandra de befinner sig. Det räcker alltså med att mäta en av partiklarna för att veta tillståndet hos båda.

En skeptisk Einstein

Det låter som att detta bryter mot Einsteins relativitetsteori som säger att ingen information kan färdas fortare än ljuset. För hur kan den ena fotonen veta vad den andra bestämde sig för om ingen information överförs?

Ett sätt att använda kvant­sammanflätning på, är att överföra kodnycklar på särskilda kvantkanaler där det kan kontrolleras att meddelandet inte snappats upp på vägen. Den vanliga kommunikationen sker sedan på vanliga kanaler, men starkt krypterad.

Ett sätt att använda kvant­sammanflätning på, är att överföra kodnycklar på särskilda kvantkanaler där det kan kontrolleras att meddelandet inte snappats upp på vägen. Den vanliga kommunikationen sker sedan på vanliga kanaler, men starkt krypterad.

Einstein själv ställde sig skeptisk till detta fenomen och hade svårt att acceptera det. Idag är det dock allmänt accepterat att det förhåller sig som beskrivits, men någon förklaring som har bäring på den verklighet vi människor uppfattar finns egentligen inte. Man betraktar helt enkelt två sammanflätade partiklar som ett enda system där det fysiska avståndet inte betyder något. Man kan tänka sig det som en gungbräda som inte bestämt sig för vilken ände som ska vara uppåt och vilken som ska vara nedåt. När den ena änden har bestämt sig, så har den andra också gjort det utan att någon information har överförts.

I tidigare experiment har man skickat fotoner i fiber några kilometer åt varsitt håll, mätt den ena och konstaterat att den andras superposition kollapsat i samma ögonblick. Det säger sig dock självt att det inte är så lätt att mäta om det verkligen sker i exakt samma ögonblick när tiden kryper ner mot miljondels eller miljarddels sekunder. En grupp schweiziska forskare som 2008 skickade sammanflätade fotoner 18 kilometer kunde i alla fall konstatera att det gick minst 10 000 gånger ­snabbare än ljusets hastighet för den ena partikeln att ­reagera när den andra mättes.

Säker kommunikation

Det kinesiska experimentet är i en helt annan ­skala än de 18 kilometer som schweizarna skickade fotoner. Satelliten Micius finns på 500 kilometers höjd över jorden och rör sig med åtta kilometer i sekunden. Från den sändes sammanflätade fotoner ner till två teleskop som befinner sig 1 203 kilometer från varandra. Det fanns ett tidsspann på fem minuter när satelliten befann sig i en position där laserstrålarna kunde nå båda teleskopen. Sammanlagt färdades fotonerna mellan 1 600 och 2 400 kilometer.

Om någon försöker läsa av ett meddelande som består av partiklar i superposition, så kollapsar tillståndet och mottagaren kan se att det är något som inte stämmer.

Om någon försöker läsa av ett meddelande som består av partiklar i superposition, så kollapsar tillståndet och mottagaren kan se att det är något som inte stämmer.

Syftet med experimentet var inte bara att imponera på resten av världen, utan att demonstrera hur sammanflätning kan användas i ett framtida kommunikationssystem. Framför allt är det säkerheten man tänker på – när ett meddelande når mottagaren så är det bra om denne kan vara helt säker på att ingen läst det eller ändrat det på vägen från avsändaren. I många fall är det till och med helt nödvändigt, till exempel vid ekonomiska transaktioner.

Med hjälp av sammanflätade partiklar kan ­detta åstadkommas. Så fort man läser av en av partiklarna, så kollapsar superpositionen och mottagaren kan direkt se om ett meddelande snappats upp på vägen.

Exakt hur framtidens kommunikationssystem kommer att se ut vet man inte, men att säkerhet kommer att vara en viktig fråga är säkert. Alltmer samhällskritisk information överförs via internet och det gäller att säkra att allt blir rätt. Och då sneglas det på kvantfysiken och framför allt den mystiska sammanflätningen som kan utnyttjas på olika sätt. I första hand är idén att använda sammanflätade partiklar när krypteringsnycklar överförs. Krypteringen i sig går att göra tillräckligt­ säker med klassisk teknik, och svagheten idag är just när nycklarna ska överföras.

Kvantinternet

Men det finns en del problem. Kineserna har visserligen visat att det går att skicka sammanflätade partiklar mycket långt i rymden och luften, vilket är ett framsteg. Tidigare experiment har främst gjorts i fiberoptiska kablar och där finns det en gräns för hur långt fotonerna kan nå i sitt kvanttillstånd. Därför behövs det någon form av förstärkare eller repeater med jämna mellanrum för att meddelandena ska kunna färdas längre ­sträckor. Och att skicka sammanflätade partiklar vidare utan att deras superposition kollapsar är inte så enkelt. Det har gjorts i laboratoriet, men det är troligen långt kvar innan det finns ­fungerande produkter.

Ett teleskop i Wien förbereds för att ta emot sammanflätade fotoner från satelliten Micius. Nästa steg i projektet som kallas Quess (Quantum experiments at space scale) är att leverera krypteringsnycklar mellan Kina och Österrike. Bild: Wiens universitet

Ett teleskop i Wien förbereds för att ta emot sammanflätade fotoner från satelliten Micius. Nästa steg i projektet som kallas Quess (Quantum experiments at space scale) är att leverera krypteringsnycklar mellan Kina och Österrike. Bild: Wiens universitet

Med hjälp av satellitkommunikation kan meddelanden alltså skickas mycket långt. Men samma problem kvarstår – med den teknik som finns tillgänglig idag kan man inte använda satelliter som relästationer utan att partiklarnas superposition går förlorad. Forskarna har dock en idé om hur det ändå skulle kunna gå till redan nu:

”Tanken är att satelliten flyger över Kina och etablerar en hemlig krypteringsnyckel med en station på marken, och sedan flyger den över Öster­rike och etablerar en annan krypteringsnyckel där. Sedan kombineras nycklarna för att skapa en nyckel för säker kommunikation mellan Beijing och Wien.” Så säger Anton Zeilinger vid Wiens universitet som är inblandad i projektet i en intervju med BBC.

Det pågår för övrigt forskning och projekt över hela världen för att komma fram till hur sammanflätning rent praktiskt ska kunna användas för säker kommunikation. Nästan samtidigt med det kinesiska experimentet så gjorde en forskargrupp på Max Planck-institutet ett annat försök. De skickade också signaler med laser där fotoner befann sig i kvanttillstånd, men bara till en mottagare och inte sammanflätade. Satelliten som signalerna sändes ifrån heter Copernicus och befinner sig i geostationär bana 38 000 kilometer från jorden. Även på detta långa avstånd – och genom kosmisk strålning, jordens atmosfär och magnetfält – kunde forskarna se att de mottagna fotonerna fortfarande befann sig i ett kvanttillstånd när de mottogs. Det tyder på att även sammanflätade partiklar skulle kunna färdas mycket långt.

Det finns också planer på att sammanbinda ­städer i Europa med ett kvantnätverk. Diplomater, underrättelsetjänster och finansiella institutioner är i första hand målgrupperna. Det är de som har störst behov av säker kommunikation – och ­dessutom de som har råd. Trafikavgifterna i ett framtida kvantnätverk lär säkert bli höga. 

Miciussatelliten under konstruktion. Den är döpt efter den gamle kinesiske filosofen Mozi (Micius på latin). Han förespråkade bland annat kärlek till alla människor, vilket kanske inte är så unikt.

Miciussatelliten under konstruktion. Den är döpt efter den gamle kinesiske filosofen Mozi (Micius på latin). Han förespråkade bland annat kärlek till alla människor, vilket kanske inte är så unikt.

Material från
Allt om Vetenskap nr 8 - 2017

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter