Kvantesammenfiltring: Når partikler ”føler” hverandre på avstand

Av: Roger Pettersen | Dato: 8. mai 2025

Kvantesammenfiltring er et av de mest gåtefulle fenomenene i kvantemekanikken. I en sammenfiltret tilstand må «to eller flere kvantemekaniske objekter […] beskrives som en helhet, selv om de flyttes til ulike steder i rommet» . Det betyr at partikler kan oppføre seg som én samlet helhet – selv om de er fysisk atskilt. Et mål på den merkverdige karakteren av dette er at måling på den ene partikkelen umiddelbart avgjør utfallet for den andre, selv om de er langt fra hverandre. Denne «ikke-klassiske korrelasjonen» minner om Einstein sitt uttrykk «spøkelsesaktig fjernvirkning» . Nobelkomiteen formulerer det slik: «det som skjer med én partikkel i et sammenfiltret par, bestemmer hva som skjer med den andre, selv om de er altfor langt fra hverandre til å påvirke hverandre» .

Sammenfiltring kan ikke forklares ved klassisk kommunikasjon; det finnes ingen tradisjonell «signalbane» mellom partiklene. Man må ganske enkelt tenke på dem som én felles kvantetilstand – et samlet system som ikke oppfører seg uavhengig av hverandre selv på avstand . I praksis betyr dette at egenskapene til systemets deler ikke er veldefinerte før de måles. Når først en partikkel måles, kollapser begge partikler fra den usikre, felles tilstanden inn i bestemte utfall. Det er dette «skumle» ved kvantemekanikken: Utfallet virker å avgjøres øyeblikkelig over store avstander, men uten noen kjent overføring av informasjon med mer enn lyshastighet.

Lettfattelige analogier hjelper til å illustrere sammenfiltring:

Venstre/høyre-sko: Tenk på et par sko – én venstre, én høyre – som legges i to esker og sendes til hver sin ende av jorden. Hvis du åpner én eske og ser en høyresko, vet du straks at den andre esken inneholder venstresko. Entangled partikler ligner på dette: Når man har sett én bit av informasjon, vet man umiddelbart hva den andre er . Forskjellen er at før du åpner eskene, har skoene egentlig ikke noen bestemt «venstre/høyre-status» – i kvanteversjonen er begge skoene i en slags usikker superposisjon til målingen.
Entangled sokker: Forestill deg to sokker hvis farger ikke er bestemt før du ser på dem. I entangled utgave kan sokkene ha en superposisjon av, for eksempel, rosa og blå farge. Når du måler fargen på den ene sokken, øyeblikkelig «bestemmes» den andre sokkens farge – som om sokkene var vevd sammen på et dypere nivå. Som én illustrasjon forklarer fysikeren Bertlmann: To fotpar med sokker sendes til hver sin person. Når én sokk måles til å være rosa, vil den andre sokken – langt borte – umiddelbart bli blå, selv om den ikke hadde noen bestemt farge før målingen .
Andre perspektiver: Et myntkast kan virke tilfeldig, men er i prinsippet forutsigbart med nok informasjon. Fysikeren Artur Ekert peker på at kvantetilfeldighet er annerledes: «Objektiv tilfeldighet… er et utfall man ikke kan forutsi, selv om man vet absolutt alt om det» . Denne innebygde usikkerheten er kjernen i hvorfor entangled kvantetilstander er så brukbare til fremtidens teknologi.

Historisk bakgrunn

Sammenfiltringsfenomenet ble første gang tematisert i 1935 av Einstein, Podolsky og Rosen i det såkalte EPR-paradokset. Der satte de opp en tankeeksperiment med to partikler som har interagert og så beveget seg fra hverandre. De påpekte at ved å måle for eksempel posisjonen til én partikkel, kan man med sikkerhet forutsi utfallet av tilsvarende måling på den andre – uten noen fysisk påvirkning mellom dem . For Einstein & co. betydde dette at kvanteteorien må mangle «et fullstendig bilde av virkeligheten», siden ingen lokal påvirkning kan forklare korrelasjonen . Schrödinger kalte dette samspillet Verschränkung (sammenfiltring) og forsterket paradokset med sine berømte katt«-eksperiment.

Noen viktige milepæler etter EPR:

1964 – Bell’s teorem: Fysikeren John Bell formulerte en matematisk ulikhet som setter lokalisme på prøve . Ifølge Bell kan man vise at lokale teorier med skjulte variabler ikke kan gjenskape alle kvantemekaniske korrelasjoner. Som Bell selv sa: «Hvis [en skjult-variabel-teori] er lokal, vil den ikke stemme overens med kvantemekanikken, og hvis den stemmer overens med kvantemekanikken, vil den ikke være lokal» .
1972 – Clauser og Freedman: John Clauser og Stuart Freedman var blant de første som testet Bell-ulikheten eksperimentelt. De brukte et entangled fotonpar (fra kalsium-nedbrytning) og fant at eksperimentet brøt Bell-ulikheten betydelig .
1981–1982 – Alain Aspect: Aspect bekreftet Clauser & Freedmans funn med forbedrede eksperimenter. Han viste at selv når innretningene skifter innstillinger mens fotonene er i ferd med å reise til hver sin detektor, blir Bell-ulikheten brutt med stor margin . Dette var det første virkelig definitive eksperimentet som demonstrerte kvantesammenfiltringens ikke-lokale natur.
1990-tallet – Teleportasjon og multipartsystemer: I 1993 foreslo Charles Bennett kvanteteleportasjon – en måte å sende kvantetilstander på ved hjelp av entanglement . Samtidig ble såkalte GHZ-tilstander (tre- eller flerpartikkelsammenfiltring) teoretisert av Greenberger, Horne og Zeilinger, som viser enda mer slående paradokser med flere partikler .
2015 og senere – Løsningsorienterte eksperimenter: Eksperimenter har gjennom flere tiår tettet de ulike «loopholene» i Bell-tester. I 2015 gjennomførte Hensen og kolleger et såkalt loophole-fritt Bell-test med elektronspinn, som i praksis feier vekk alle rimelige lokale forklaringer. Entanglement er i dag verifisert under så gode betingelser at det kun kan tilskrives kvantemekaniske prinsipper.
2022 – Nobelpris i fysikk: Nobelkomiteen tildelte Clauser, Aspect og Zeilinger prisen for deres banebrytende eksperimenter med sammenfiltring . Dette anerkjente at «ved hjelp av banebrytende eksperimenter [har de] vist potensialet for å undersøke og kontrollere partikler i sammenfiltrede tilstander» . Nobelkomiteen understreker at det som skjer med én partikkel, umiddelbart innvirker på den andre, selv over avstander hvor ingen klassisk påvirkning kan nå frem .

Teknologiske anvendelser

Kvantesammenfiltring er ikke bare et teoretisk kuriosum; det er en ressurs for nye teknologier. Kvantedatamaskin

Kvantekryptografi: Ved å utnytte at entangled partikler deler en intrinsisk tilfeldighet, kan man lage absolute sikre krypteringsnøkler. Den østerrikske fysikeren Artur Ekert, en pioner innen feltet, realiserte at kvantetilfeldighet kan brukes til «å utvikle ubrytelig kryptering» . I praksis sendes sammenfiltrede fotoner til to kommuniserende parter, som gjør målinger i tilfeldig valgte baser. Ved å teste om resultatene bryter Bell-ulikheten, kan de trygt oppdage om noen har prøvd å avlytte nøkkelen. Det gjør det i teorien umulig å knuse en nøkkel uten å bli oppdaget. For eksempel demonstrerte kinesiske forskere at sammenfiltring kan bevares over svært lange avstander: Satellitten Micius sendte sammenfiltrede fotoner til to bakkestasjoner 1203 kilometer fra hverandre , og åpnet døren for satellittbasert kvantekryptering i praksis. Som Ekert sier: «Oppdagelsen av kvantemekanikken åpnet døren til helt nye måter å kommunisere, behandle og beskytte data på… Det er kvantemekanikk som holder løsningene for fremtiden» .
Kvantedatamaskiner: I kvantedatamaskiner brukes sammenfiltrede qubiter for å utføre beregninger langt raskere enn klassiske maskiner kan. Entanglement muliggjør kvanteparallellisme: Ved å manipulere mange qubiter i én sammenfiltret tilstand kan datamaskinen utforske et enormt rom av løsninger samtidig. Microsoft Quantum forklarer det slik: «Entanglement is used to enable quantum parallelism, which is the ability of quantum computers to perform multiple calculations simultaneously» . I tillegg er entanglement nøkkelen i kvantealgoritmer og kvantetelportasjon (som gir fjernoverføring av kvantetilstander) og i kvantefeilkorreksjon (for å beskytte informasjon mot støy) . Uten entanglement ville kvantedatamaskiner ikke ha en vesentlig fordel over vanlige datamaskiner.

Kvantenettverk og -kommunikasjon

I 2017 demonstrerte kinesiske forskere at sammenfiltrede kvantepartikler kan overføres over enorme avstander ved hjelp av satellitten Micius, som sendte entangled fotoner til to mottakere på bakken over 1200 kilometer fra hverandre. Dette eksperimentet viste at kvantesammenfiltring kan bevares selv når partiklene reiser gjennom verdensrommet, og baner vei for et framtidig «kvanteinternett». Et slikt nettverk kan koble sammen sensorer, satellitter og kvantedatamaskiner ved hjelp av sammenfiltrede tilstander. I tillegg har forskere vist at sammenfiltring kan overføres gjennom fiberoptiske kabler over flere hundre kilometer. For å gjøre dette i global skala, arbeider man nå med såkalte kvanteforlengere (repeatere) som skal kunne knytte sammen lokale kvanteforbindelser til et sammenhengende nettverk. Selv om kvanteinternett fortsatt er i en tidlig fase, er potensialet stort: Et slikt nettverk vil kunne gi helt sikre kommunikasjonslinjer og koble kvanteprosessorer sammen over hele kloden.

Nøkkelpunkter og videre lesning

Kvantesammenfiltring er sentral i nyere fysikk og teknologi. Fenomenet ble først beskrevet av Einstein, Podolsky og Rosen i 1935, fikk sitt navn av Schrödinger samme år og er siden demonstrert eksperimentelt gjennom Bells teorem, Clausers og Aspects tester osv. Det styrer prinsippene bak alt fra kvantekryptografi til kvantedatamaskiner og fremtidige kvantenettverk. Som Wikipedia formulerer det: «Kvantesammenfiltring kan utnyttes … til kvanteteleportasjon, kvantekryptering og kvantedatamaskiner» . Forskere sier ofte at entanglement er «selve essensen av kvantemekanikken», fordi ingen klassisk analogi fullt ut kan forklare fenomenet.

For den interesserte leseren finnes mange populære forklaringer. Enkelte bruker analogier som sko og sokker (se eksemplene ovenfor) for å formidle ideen. Forskning.no og Science Norway har gode artikler om eksperimenter med satellittbasert kvantekryptering , og Nobelprisens hjemmesider gir en lettfattelig oppsummering av arbeidet til Aspect, Clauser og Zeilinger . Også institusjoner som Caltech, UCSD og ulike universiteter publiserer tilrettelagte artikler (ofte på engelsk) som enkeltfolk kan lese for å lære mer. Gjennom løpende forskning legger vi kontinuerlig til nye puslebiter i forståelsen av dette fascinerende, tverrende fenomenet.