Schrödingers levende og døde kat kan nu måles

15. okt 2012 kl. 21.16

I sidste uge blev Nobelprisen i fysik uddelt, og prisen gik i år til David Wineland og Serge Haroche under titlen *Measuring and Manipulating Individual Quantum Systems. *De har via eksperiementer med henholdsvis ionfælder og kavitetskvanteelektrodynamik udviklet teknikker til at måle på individuelle kvantetilstande.

Et kontraintuitivt element i kvantemekanikken er de såkaldte kvantesuperpositioner. Ifølge kvantemekanikken befinder en partikel, f.eks. en elektron eller en foton, sig i en superposition af sine egentilstande, så længe den ikke vekselvirker med omgivelserne. Så snart vekselvirkning finder sted, f.eks. i form af måling på partiklen, kollapser superpositionstilstanden til én bestemt af egentilstandene. Dvs. så snart man måler på systemet, forsvinder kvanteegenskaben (kvantesuperpositionen), og det er således svært at observere kvantenaturen af partiklen.

Dette ledte i 1935 Erwin Schrödinger til at fremsætte det, der senere er blevet kendt som Schrödingers kat paradokset: En kat kan, så længe den ikke observeres eller måles på, på samme tid være en vis del levende og en vis del død. Levende og død udgør i dette hypotetiske eksempel de to egentilstande for katten, og jf. kvantesuperpositioner befinder katten sig generelt i en superposition af disse tilstande. Observerer man katten, kollapser tilstanden til enten levende eller død.

Dette lyder alt sammen ganske teoretisk, vel nærmest filosofisk, men der er også potentielle anvendelser af kvantetilstandene. Et eksempel er i kvantekryptografi, der er blevet foreslået som en ny og sikrere form for kryptografi. En af de grundlæggende idéer er at sende information sikkert i form af en kvantetilstand, som er i en bestemt kvantesuperposition. Hvis informationen undervejs fra sender til modtager forsøges opsnappet, kollapser kvantesuperpositionen, dvs. informationen forsvinder, som følge af vekselvirkningen med omgivelserne (se illustration nedenfor).

I praksis er det imidlertid svært at fremstille stabile kvantesuperpositioner, idet de nemt ødelægges ved vekselvirkning med omgivelserne. Så at kunne fremstille stabile kvantesuperpositioner og efterfølgende måle på dem er vigtige skridt i forhold til at anvende disse teknologisk. Dette er de nyslåede Nobelprismodtagere lykkedes med. Eller med andre ord:

Schrödingers levende og døde kat kan nu måles.

Jakob Rosenkrantz de Lassons billede
Jakob Rosenkrantz de Lasson
er civilingeniør i fysik og nanoteknologi og ph.d.-studerende på DTU Fotonik - og blogger om tanker og idéer fra en forsker i spe.

Kommentarer (20)

Jeg vil tillade mig at mene, at artiklens konklusion er direkte misvisende.

Man har hele tiden kunnet måle på Schrödingers kat - det er sådan set blot at åbne kassen, og se om kræet stadig spræller.

Det nye er, at man nu åbentbart kan frembringe [b]stabile[/b] "kvantetilstande" som kunne muliggøre kvantekryptering.

Men bemærk lige, at hele sikkerheden i bemeldte kvantekryptering baserer sig på, at enhver aflæsning (af en "man in the middle") af signalet, vil kollapse superpositioneringen, og derved afsløre for den legitime modtager, at nogen allerede har læst hans meddelelse.

Artiklens konklusion lægger op til, at man nu kan måle på katten mens den stadig er både levende og død. Hvis det var muligt, ville hele princippet med kvantekryptering bryde sammen !

  • 0
  • 0

Man har hele tiden kunnet måle på Schrödingers kat - det er sådan set blot at åbne kassen, og se om kræet stadig spræller.

Jeg skriver, at prisen er uddelt for udviklingen af teknikker til at måle på kvantetilstande. Derefter forklarer jeg, at en kvantetilstand er en kvantesuperposition, som altså er en kombination af "levende" og "død" i katte-eksemplet. Så jeg påstår med andre ord ikke, at det er nyt, at man kan måle på katten.

Det nye er, at man nu åbentbart kan frembringe [b]stabile[/b] "kvantetilstande" som kunne muliggøre kvantekryptering.

Ifølge det officielle dokument ang. uddelingen (http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/phy...) er prisen uddelt for "...new technologies and methods allowing the measurement and control of individual quantum systems with high accuracy."

Så det er i lige så høj grad det at kunne måle på kvantetilstandene, som prisen er uddelt for.

Artiklens konklusion lægger op til, at man nu kan måle på katten mens den stadig er både levende og død. Hvis det var muligt, ville hele princippet med kvantekryptering bryde sammen !

Det kommer an på, hvad der menes med at måle på den - hvis der, som det i ovenstående antages, menes, at man derved kan trække alle informationer ud af tilstanden, så ville idéen med kvantekryptering ganske rigtigt falde til jorden.

Målingerne giver informationer om, hvordan tilstanden mister sin kohærens, dvs. går fra at være en kvantetilstand til at være en statistisk blanding (eller med andre ord: en klassisk tilstand). Flere informationer findes i ovennævnte officielle dokument.

  • 0
  • 0

Dem der besøgte Niels Bohr instiuttet på kulturnatten, kunne se et apparat, der kunne holde kvantetilstanden i længere tid. Med en optisk fiber, var de i stand til, at kunne overføre kvantetilstanden op til 100 km i forbindelse med overføring af nøgler ved kvantekrypteringen. Og med et trik, kunne de med to optiske fibre, overføre tilstanden hele 200 km.

  • 0
  • 0

Dem der besøgte Niels Bohr instiuttet på kulturnatten, kunne se et apparat, der kunne holde kvantetilstanden i længere tid. Med en optisk fiber, var de i stand til, at kunne overføre kvantetilstanden op til 100 km i forbindelse med overføring af nøgler ved kvantekrypteringen. Og med et trik, kunne de med to optiske fibre, overføre tilstanden hele 200 km.

Interessant. Kan du huske, hvem der fremviste dette? Måske en person fra Peter Lodahls gruppe? (http://quantum-photonics.nbi.ku.dk/ansatte/).

  • 0
  • 0

[quote]Dem der besøgte Niels Bohr instiuttet på kulturnatten, kunne se et apparat, der kunne holde kvantetilstanden i længere tid. Med en optisk fiber, var de i stand til, at kunne overføre kvantetilstanden op til 100 km i forbindelse med overføring af nøgler ved kvantekrypteringen. Og med et trik, kunne de med to optiske fibre, overføre tilstanden hele 200 km.

Interessant. Kan du huske, hvem der fremviste dette? Måske en person fra Peter Lodahls gruppe? (http://quantum-photonics.nbi.ku.dk/ansatte/).
[/quote]

Ja, det var Peter Lodahls gruppe, og jeg mener det var David Garcia-Fernández der fremviste det.

  • 0
  • 0

[quote][quote]Dem der besøgte Niels Bohr instiuttet på kulturnatten, kunne se et apparat, der kunne holde kvantetilstanden i længere tid. Med en optisk fiber, var de i stand til, at kunne overføre kvantetilstanden op til 100 km i forbindelse med overføring af nøgler ved kvantekrypteringen. Og med et trik, kunne de med to optiske fibre, overføre tilstanden hele 200 km.

Interessant. Kan du huske, hvem der fremviste dette? Måske en person fra Peter Lodahls gruppe? (http://quantum-photonics.nbi.ku.dk/ansatte/).
[/quote]

Ja, det var Peter Lodahls gruppe, og jeg mener det var David Garcia-Fernández der fremviste det.[/quote]

...Min gamle hjælpelærer fra Nanofotonik-kurset på DTU:-)

  • 0
  • 0

[quote][quote][quote]Dem der besøgte Niels Bohr instiuttet på kulturnatten, kunne se et apparat, der kunne holde kvantetilstanden i længere tid. Med en optisk fiber, var de i stand til, at kunne overføre kvantetilstanden op til 100 km i forbindelse med overføring af nøgler ved kvantekrypteringen. Og med et trik, kunne de med to optiske fibre, overføre tilstanden hele 200 km.

Interessant. Kan du huske, hvem der fremviste dette? Måske en person fra Peter Lodahls gruppe? (http://quantum-photonics.nbi.ku.dk/ansatte/).

[/quote]

Ja, det var Peter Lodahls gruppe, og jeg mener det var David Garcia-Fernández der fremviste det.[/quote]

...Min gamle hjælpelærer fra Nanofotonik-kurset på DTU:-)[/quote]
Ja, de kommer stort set alle sammen fra DTU fotonik.

  • 0
  • 0

Det er klart, at det ikke giver nogen mening, at sige noget om, hvorvidt en "kvantekat" er død eller levende, før man har grund til at vide noget om det. Men hvad får kvantemekanikerene til at tro, at den rent faktisk ér lige så død som levende, indtil man kigger efter. Hvad får dem til at mene, at den ikke allerede har én af tilstandendene lige inden man åbner låget?
Der må være en klar grund til, at man antager dette hélt kontraintuitive synspunkt, og hvad er den grund?
P.S. Jeg har selv uden held forsøgt at finde den i bl.a. "Jagten på Schrødingers kat" Steen

  • 0
  • 0

Hej Steen
Man kan ikke måle noget "dødt" eller "levende", intet måleudstyr kan angive denne kvalitative forskel. Derimod kan hjertets slag måles, og ved hjertedødskreteriet kan man så erklære død/levende. Imidlertid oplives hjertedøde, så det er uheldigt at de oplivede forud er erklæret død: "Døden er den uigenkaldelige afslutning på et livsforløb" - står der leksikalt.
Men netop at bruge emnet død/levende, har vi, via vrøvl, sat ekstra kul på og scoret billige point til kvantefysikken.
Dette overskygger så de korrekte forhold vedr. død/levende: Dette er en indre proces, og ikke en ydre måleproces.

  • 0
  • 0

Hej Kim. Det var også derfor, jeg skrev en "kvantekat". Sådan én kan f.eks. godt bestå af et atom, der henfalder, eller en foton, der har spin i en bestemt retning eller andet fra småtingsafdelingen.
Men mit spørgsmål var: Hvad får kvantefolkene til at mene, at den ikke har en bestemt tilstand lige INDEN man måler på den. De må have en meget god grund til at bekende sig til denne i høj grad kontraintuitive antagelse. Og hvad er denne grund ????? Steen

  • 0
  • 0

Steen, en tilstand er kvantefysisk ukendt hvis den ikke måles:
Men helt ukendt er den umålte tilstand dog ikke, idet en bestemt måling altid forud er tilknyttet en konkret sandsynlighed for målingsudfaldet.
Er der til en bestemt måling tilknyttet to lige store sandsynligheder (to gange 50%) for målingsudfaldet, opstår der altid inteferrens. En elektron der har sådanne to ligeberettigede muligheder for at lade sig måle, vil danne inteferrens - en elektronens bølgeegenskab har manifesteret sig.

  • 0
  • 0

Grunden til at en tilstand er ukendt inden måling, skyldes at måleobjektet ikke er en "genstand" (det bliver objektet først ved målingen), men derimod genstandens potentiale. Et potentiale har nu engang potentialets egenskaber: Ikke at bekende kulør inden målingen, at lade en brev vifte af muligheder stå åbne. Potentiale er netop = muligheder.
Håber det giver lidt mening.

  • 0
  • 0

Hvis man følger Københavnerfortolkningen (og det gør de fleste) er det forkert at sige at man ikke har nogen viden om en kvantetilstand før man måler den.

Niels Bohr var meget omhyggelig med at understrege, at en kvantetilstand er UBESTEMT indtil man måler den.

Altså, hvis man f.x. taler om elektroners spin, så HAR elektronen slet ikke noget fastlagt spin før man måler det. Derfor er katten både levende og død på samme tid, og på samme tid er den hverken levende eller død. Og indtil man kigger efter, er den både inde i kassen og alle andre steder i hele universet - på samme tid.

Men det gælder altså kun for kvantekatte - ikke rigtige misser !

  • 0
  • 0

Det er da helt rigtigt, at en tilstand, som ingen kender, er ukendt/udefineret/ubestemt/ikke fastlagt osv, indtil nogen kender den, og har defineret den, bestemt den, fastlagt den osv. Og det er også rigtigt, at det ikke giver mening at snakke om tilstanden, før nogen kender den. Indtil da kan den selvfølgelig kun beskrives ved hjælp af statistisk sandsynlighed.
Fair nok. Selvom jeg med 100% sikkerhed ved, at jeg har slået en plat og ikke en krone, må den, der ikke kender resultatet kun tildele sig selv 50% chance for at gætte rigtigt (begge muligheder står for ham tilsyneladende lige åbne, indtil afsløringen er faldet).
Det, kvantefolkene siger, er, at "kvantemønten" hverken ER plat eller krone eller LIGE SÅ MEGET plat som krone, indtil tilstanden er afsløret.
Det kan være svært at argumentere imod, men hvilken grund har de til at mene, at det skulle forholde sig så mærkrligt ? Steen

  • 0
  • 0

men hvilken grund har de til at mene, at det skulle forholde sig så mærkeligt ?

Én grund er eksperimenter hvor korrelationen mellem rumligt separerede målinger er større end muligt hvis man antager at tilstanden er lokalt til stede i forvejen men blot ikke målt ('Local Hidden Variable Theory, LHVT).

Det forhold bekom ikke Einstein vel. Deraf hans udtryk: "spukhafte Fernwirkung" eller "spooky action at a distance". Dengang var det kun en teoretisk konsekvens af københavnerfortolkningen, men siden er det eksperimentelt bekræftet i ganske mange forsøg. Nogle af dem forholdsvis enkle som f.eks. http://arxiv.org/pdf/quant-ph/0205171v1.pdf

Emnet er berørt i en del andre tråde her på ing.dk. F.eks.
http://ing.dk/artikel/90215-maalloese-fysi... og senest
http://ing.dk/artikel/134561-kvantemekanik...

  • 0
  • 0

Tak for spændende links, som jeg har tykket mig igennem.
Spørgsmål 1): Hvis man kun måler på én jomfruelig foton, vil den så ALTID gå igennem et polarisationsfilter? (og hvorfor evt. ikke ?)
Spørgsmål 2): Når man måler på de to fotoner med hver sit filter, hvordan kan det så overhovedet forekomme, at INGEN af dem kommer igennem filtrene (denne situatition er så vidt jeg har forstået både forudset og målt), hvis det gælder, at ingen polariseringsretning fastlagt før måling ? Steen

  • 0
  • 0

Jeg gætter på, at svaret på spørgsmål 1) (og dermed også på 2)). er, at hvis fotonen før måling har mulighed for polaririserimg i alle retninger, ville det statistisk set være mærkeligt, hvis det hver gang var den samme retning, der kom til udtryk i målingen, så den kunne komme igennem.
Men det er nu alligevel mærkeligt, at den nogen gange "vælger" én retning og andre gange, en anden. Steen

  • 0
  • 0

Tak for spændende links, som jeg har tykket mig igennem. Spørgsmål 1): Hvis man kun måler på én jomfruelig foton, vil den så ALTID gå igennem et polarisationsfilter? (og hvorfor evt. ikke ?) Spørgsmål 2): Når man måler på de to fotoner med hver sit filter, hvordan kan det så overhovedet forekomme, at INGEN af dem kommer igennem filtrene (denne situatition er så vidt jeg har forstået både forudset og målt), hvis det gælder, at ingen polariseringsretning fastlagt før måling ? Steen

Normalt bruges ikke et polarisationsfilter, men en splitter, så fotonerne opdeles i to polarisationsretninger. Derfor, er også muligt, at detektere dem, der ikke kommer igennem filteret, da de detekteres, af detektoren, der måler den anden polarisationsretning.

Vi har således to enlargede fotoner, der sendes imod hver sin polarisationssplitter, og fire detektorer.

Vi måler corelationen imellem fotonerne, med detektorerne, som funktion af vinkelen imellem polarisationsfiltrene.

Lokale variabel teorierne, fungerer sådan, at vi antager fotonen har en tilfældig polarisation på forhånd - og at den så splittes i de to retninger, afhængigt af denne polarisation. Antages, at der ikke er et tab, så vil fotonerne splittes i de to polarisationsretninger. Og da der ikke detekteres korelation når de er vinkelret på hinanden, må vi antage fotonen enentydigt vælger polarisationsretning, afhængigt af dens polarisation, og at den vælger den retning, som er tættest på - ellers vil detekteres korrelation (svarende til, at der vil komme lys igennem, hvis to polarisationsfiltre lægges vinkelret på hinanden). Hvis det antages at fungere sådan, så vil der være en linær sammenhæng imellem vinkel, og intensiteten, som slipper igennem, når to polarisationsfiltre lægges over hinanden. Og samme, i vores eksperiment, hvor vi måler korellationen - her vil vi også se en linær sammenhæng. Men, sådan er det ikke. Der er en cosinus sammenhæng. Det kan verificeres, f.eks. med to polarisationsfiltre over hinanden. Og, samme cosinus sammenhæng, ses hvis du laver corelationsanalyse, på de indkomne fotoner, styk for styk.

Regnes på det statistisk, så opnås netop en cosinus sammenhæng. Men problemet er, at for at opnå en statistisk beskrivelse, så skal der være tab. Og kvantemekanikken påstår, at et sådant tab ikke behøves. Dette medfører så, at vi bliver nød til, at indføre kommunikation. Bell's test eksperiment, kan netop ikke bevises, hvis der er et for stort tab. Tilsvarende, vil du også opnå en cosinus fordeling, hvis du lægger et stokastisk tab ind i lokale variabel teorierne. Og de vil skifte fra en trekant overførsel, til en cosinus overførsel, når tabet stiger.

  • 0
  • 0