Verdens største kvanteeksperiment gikk av stabelen 30. november 2016. Denne uken publiserte den vitenskapelige publikasjonen Nature en artikkel om resultatene.
Verdens største kvanteeksperiment gikk av stabelen 30. november 2016. Denne uken publiserte den vitenskapelige publikasjonen Nature en artikkel om resultatene. (Foto: The Big Bell Test)

BIG BELL TEST

100.000 frivillige deltok i verdens største kvanteeksperiment

Hadde Bohr eller Einstein rett i sitt syn på kvantemekanikken?

Dette er testet av 13 samtidige eksperimenter på fem kontinenter, styrt av mer eller mindre tilfeldige innspill fra frivillige.

Danske Ingeniøren har i løpet av de siste årene skrevet utallige artikler om de eksperimentene som siden 1980-tallet har blitt utført for å teste den spøkelsesaktige virkningen – eller spukhafte Fernwirkung – over store avstander mellom to kvantepartikler, som Einstein ikke brød seg om, men som Bohr forklarte var en helt naturlig konsekvens av kvantemekanikken. 

Dette var en diskusjon basert på tankeeksperimenter mellom de to teoretikere på midten av 1930-tallet. I dag er dette grunnlaget for utvikling og forskning innenfor kvantekommunikasjon, kvantedatamaskiner og lignende.

Selv om resultatene er akkurat som forventet, er et nytt eksperiment av denne typen, og resultatene av den, denne uken har blitt beskrevet i en artikkel i Nature, likevel verdt å legge merke til, siden det er verdens største kvanteeksperiment. 

Kvantemekanikken står og faller med Bells ulikhet

Eksperimentet kalles BIG Bell Test, for det undersøker om en ulikhet som den nordirske fysikeren John Bell beskrev i 1964, er overholdt eller brutt.

Er Bell-ulikheten overholdt, er kvantemekanikken – slik Einstein beskrev den – ikke en fullstendig teori. I stedet dekker den over noen skjulte variabler som fjerner de tilfeldighetene som er kvantemekanikkens kjennetegn. Disse tilfeldighetene er altså bare tilsynelatende.

Er Bell-ulikheten brutt, finnes det ingen slike skjulte variabler. Naturen er tilfeldig, og prinsippet om lokal realisme, det vil si at alle årsaker bare kan forklares med lokale virkninger, ikke er gjeldende – stikk i strid med all sunn fornuft. Men slik er det jo også med mye annet innen kvantemekanikken. 

Undertegnede har selv utført et slikt Bell-eksperiment på Danmarks Tekniske Universitet (DTU) i laboratoriet deres for studentforsøk, og svært betryggende konstatert at Bell-ulikheten er brutt.

Menneskers frie vilje skal stenge et smutthull

Men det finnes flere smutthull i de helt enkle såkalte Bell Inequality Violation-eksperimentene, som i prinsippet skal stenges helt før man kan påstå at eksperimentet er utført korrekt etter boka, slik at et brudd på ulikheten derfor med sikkerhet kan tas til inntekt for Bohrs tolkning av kvantemekanikken.

Bell-eksperimentene baserer seg på at to forsøkspersoner, som er atskilt fra hverandre over så store avstander at de ikke kan kommunisere med hverandre grunnet lysets endelige hastighet, stiller inn detektorer helt tilfeldig av hverandre.

Denne tilfeldige innstillingen av detektorene kan utføres med hjelp av teknologi, men det baserer seg dermed implisitt på en antagelse om at de fysiske prinsippene er garantist for den tilfeldige innstillingen. Og det vil være vanskelig å gjøre dette til mer enn nettopp en antakelse.

Som John Bell allerede var inne på, vil man slippe slike antakelser, hvis det var reelle personer som med bruk av sin egen frie vilje gjorde innstillingene. 

Nesten 100 millioner tilfeldige innstillinger

Nå er bare problemet at mennesker ikke alltid er flinke til å generere tilfeldige tall. Så det er her de mange frivillige i BIG Bell-eksperimentet kom inn i bildet.

De ble oppfordret til at de den 30. november 2016 skulle delta i en form for spill hvor de skulle prøve å generere en tilfeldig sekvens av nuller og ettall.

Inntastningen deres ble gjenstand for en analyse av en maskinlæringsalgoritme, som prøvde å estimere påfølgende tall ut fra de foregående. Spillet for de frivillige bestod i å klare seg best mulig i konkurransen mot maskinlæringsalgoritmen.

De inntastede tallene ble overført i sanntid til 13 Bell-eksperimenter i 12 laboratorier på fem kontinenter. Noen eksperimenter var basert på fotoner, andre på atomer og noen på superledende enheter.

I en 12 timers periode fra klokken 9 UTC til klokken 21 UTC var bitstrømmen til eksperimentene over 1000 bits i sekundet, noe som innebar at alle eksperimentene kunne kjøre i full hastighet og teste Bells ulikhet.

I alt deltok omkring 100.000 personer som til sammen genererte 97 347 490 binære valg.

Bell-ulikheten sier at resultatet skal være mindre enn eller lik 2, for at Einsteins oppfatning skulle være korrekt. Resultatene lå mellom 2,25 og 2,79, så Bell-ulikheten var brutt alle steder.

Dansk professor er imponert

Det var ingen danske eksperimenter involvert i BIG Bell, men professor Jacob Sherson fra Aarhus Universitet, som er internasjonalt anerkjent for å trekke inn den vanlige befolkningen i kvanteeksperimenter via dataspill, har vært uavhengig sensor (peer reviewer) for artikkelen før den ble akseptert offentliggjort av Nature.

Han ser på BIG Bell som et ledd i innsatsen for å involvere befolkningen i Citizen Science-prosjekter – ja, rett og slett med den tidligere danske utdannings- og forskningsministerens Søren Pinds ord om å øke utdannelsen både hos forskere og befolkning. 

Han mener likevel at dette ikke lyktes fullt ut i dette prosjektet, hvor borgernes oppgave gikk ut på å generere tall som var så tilfeldige som mulig – og dermed fikk man ikke stengt sløyfen helt til kvantefysikken. Men BIG Bell er etter hans oppfatning fantastisk på grunn av antallet mennesker som man klarte å involvere i prosjektet verden rundt. 

Men mest imponert er Jacob Sherson av hele det store teknologiske oppsettet som ble stablet på beina for å samle inn data og videresende dem til de avanserte forsøksoppsettene i mange land – «vi snakker jo ikke om enkle studenteksperimenter».

Så det viktigste resultatet av BIG Bell er nok ikke at vi enda engang fikk bekreftet at Bohr hadde rett, og at Einstein tok feil når det gjelder kvantemekanikken. Viktigere er det at BIG Bell ved bruk av moderne teknologi har vist at det er mulig å involvere befolkningen i stor skala i avanserte forskningsprosjekter.

Videoen nedenfor ble lagd som opptakt til det globale eksperimentet 30. november 2016, som «kanskje blir den dagen som vil bli husket som dagen da hele verden gikk sammen om å teste kvanteteorien,» slik Nature formulerer det i en leder i denne uka.

Artikkelen ble først publisert på Ing.dk

Kommentarer (6)

Kommentarer (6)