– Finns månen även om vi inte tittar på den hela tiden? Det är klart att den gör. Men i kvantfysiken diskuterar man om fotoner, alltså ljuspartiklar, finns även om man inte mäter dem. Med vår forskning kan vi motbevisa vissa av dessa teorier, så att man kan koncentrera sig på andra, säger Jan-Åke Larsson, professor på avdelningen för informationskodning vid Linköpings universitet.
Frågan som experimenten skulle svara på är om fotonerna kan tala med varandra på långa avstånd, snabbare än ljuset färdas. Kruxet är att de är så makalöst små och känsliga, vilket försvårar experimenten. Över 100 000 personer världen över, däribland elever på Katedralskolan i Linköping, deltog hösten 2016 i ett delexperiment som handlade om att först få fram ett slumptal helt byggt på människans fria val.
– Vi behövde försäkra oss om att inte bli lurade av naturen. Andra experiment har baserats på en slumptalsgenerator. Det finns en teoretisk möjlighet att den tar fram tal som bygger på naturens egen ordning. Då är risken att vi använder fel teori i våra experiment.
Forskarna tog hjälp av ett mobiltelefonspel där deltagarna fick göra enkla val – av typen höger eller vänster – som sedan omvandlades till ettor och nollor, ett slumptalsmönster.
– Människor är dåliga på att generera slumptal, och det går långsamt. Därför krävs många personer oberoende av varandra. Totalt genererades strängar med drygt 95 miljoner ettor och nollor. I hela världen deltog 109 046 personer varav 3 283 i Sverige. Serierna av ettor och nollor skickades till tolv universitet världen över som sedan utförde 13 olika experiment samtidigt.
Den berömda Nobelpristagaren och fysikern Albert Einstein kallade omständigheten med de kommunicerande fotonerna för en "spöklik avståndsverkan". I samma stund som man mäter polarisationen på den ena fotonen i ett sammanflätat par, tycks den andra fotonen anta motsatt polarisation. Detta sker även på kilometerlånga avstånd.
– Det finns två filosofiska antaganden som ligger till grund för experimenten, det ena är "realism", att fotonernas polarisation existerar även om vi inte mäter på dem. Det andra antagandet gäller "lokalitet", att ingen påverkan kan ske snabbare än ljuset. Experimenten visar att vi måste förkasta ett av dessa antaganden. De är beroende av varandra, men kan inte gälla samtidigt.
I artikeln i Nature konstaterar de 106 författarna att resultaten starkt motsätter sig "lokal realism". Testet kallas för "The Big Bell test" efter forskaren John Bells teorem från 1964, om hur man kan pröva begreppet lokal realism och avgöra om kvantmekaniken uppfyller detta.
– I en lokalrealistisk modell finns fotonernas egenskaper även om man inte mäter dem och de inte kan prata med varandra snabbare än ljuset, säger Jan-Åke Larsson.
Experimentet görs genom att sätta upp två mätstationer och ge olika slumptal till dem för att välja vilken polarisationsmätning man vill göra. Sedan mäter man hur ofta resultaten är lika mellan stationerna.
– Om fotonen verkligen existerar även när vi inte tittar så finns en maxgräns för hur ofta mätresultaten kan vara lika. Men kvantmekaniken gör att resultaten blir lika fler gånger än så.
Hur förklarar man det?– Ena möjligheten är att fotonens egenskaper inte finns förrän man mäter eller "tittar" på dem. Den andra är att egenskaperna faktiskt finns. Men då måste fotonerna prata med varandra, så att de kommer överens om vad resultatet ska bli. Det är den "spöklika avståndsverkan", som Einstein talade om. Vi kan nu visa att vi inte längre behöver forska på lokal realism, vi kan titta på annat inom kvantmekaniken.
Betyder det här att vi kan skapa en kommunikation som är snabbare än ljuset?– Du må tro att det har forskats mycket om det efter John Bell, 1964! Men tyvärr bevisar kvantmekaniken att det inte går. Tråkigt, men sant. Fotonernas påverkan är för svag för att överföra information.
Redan nu finns praktisk användning för denna kunskap. Med så kallad kvantkryptering kan man skapa en krypteringsnyckel som gör informationsöverföringen helt säker. Bells test gör att det går att upptäcka om någon försöker avlyssna kommunikationen.
– Den som tjuvlyssnar måste göra det genom att mäta polarisationen. Då stör man överföringen. När man mäter något så syns det, säger Jan-Åke Larsson.
Linköpings universitet bygger just nu upp ett nytt laboratorium för forskning om kvantmekanisk kommunikation i nästa generations optiska fiber för telekomindustrin.
