entanglement
Entanglement er et fundamentalt begreb inden for kvantemekanikken, hvorved to eller flere fysiske systemer ikke kan beskrives uafhængigt af hinanden, men i stedet må betragtes som værende i en enkelt "sammenfiltret" kvantetilstand.
Entanglement optræder ikke i den klassiske fysik, og i løbet af 1900-tallet gav begrebet derfor anledning til en gennemgribende ændring af vores forståelse af lys og partikler på det atomare niveau. Entanglement bliver nu betragtet som et eksperimentelt veldokumenteret fysisk fænomen, og det har adskillige lovende anvendelser inden for kvanteteknologi, fx i en fremtidig kvantecomputer, som ved hjælp af entanglement kan udføre yderst krævende beregninger.
Entanglement opstår typisk ved, at to partikler vekselvirker, fx to elektroner, som vekselvirker på grund af deres elektriske ladning. Hvis en sammenfiltret kvantetilstand opstår som følge af deres vekselvirkning, vil de to partikler kunne påvirke hinanden selv på stor afstand. Fx vil en måling på den ene partikel kunne påvirke en umiddelbart efterfølgende måling på den anden partikel.
Teoretisk kan man forstå entanglement ved at betragte partiklernes kvantetilstand. Elektroner har spin, og hvis den ene elektrons spin peger op, og den anden elektrons spin peger ned, vil man skrive deres kvantetilstand som |↑>|↓>, hvilket ikke er en sammenfiltret tilstand. Tilsvarende vil kvantetilstanden |↓>|↑> beskrive, at det første spin peger ned, og det andet peger op, og den tilstand er heller ikke sammenfiltret. Kvantemekanisk er det muligt at lave en ny kvantetilstand som en superposition af to fysiske kvantetilstande, hvilket vil sige, at |↑>|↓>+|↓>|↑> også er en mulig kvantetilstand. Og netop denne tilstand er et eksempel på entanglement, idet man ikke længere kan tilknytte en kvantetilstand til de to elektroner hver for sig. Hvis man måler spinnet på den første elektron, vil man til gengæld med 50 % sandsynlighed observere, at det peger op, og med 50 % sandsynlighed, at det peger ned. I det første tilfælde vil den sammenfiltrede tilstand |↑>|↓>+|↓>|↑> have kollapset til tilstanden |↑>|↓>, således at det andet spin nu peger nedad. Det vil sige, at målingen på den første elektron har påvirket tilstanden af den anden elektron, uanset hvor stor afstand der er imellem dem.
Albert Einstein udtrykte bekymring over denne øjeblikkelige påvirkning mellem to partikler, som han kaldte “spooky action at a distance” (ofte oversat som 'spøgelsesagtig fjernvirkning'), og som tilsyneladende stred imod generelle principper fra hans relativitetsteori, der udsiger, at intet fysisk signal kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed i vakuum. I 1935 udarbejdede han derfor sammen med de amerikanske fysikere Boris Podolsky (1896-1966, født i Rusland) og Nathan Rosen (1909-1995, fra 1952 bosat i Israel) en artikel, der satte spørgsmålstegn ved kvantemekanikken som en komplet teori. Der var dog ingen åbenlys mulighed for at teste deres forudsigelser.
Det var først i 1964, at det lykkedes den nordirske fysiker John Stewart Bell at formulere en matematisk ulighed, der ville gøre det muligt at teste Einstein, Podolsky, og Rosens forudsigelser ved at udføre et eksperiment. Bells ulighed blev først testet af af den amerikanske fysiker John Francis Clauser (født 1942) i 1972 og senere i yderlige forsøg af franskmanden Alain Aspect i 1981 og 1982. Deres forsøg viste, at Einstein, Podolsky og Rosen ikke havde ret i deres kritik af kvantemekanikken, og i 2022 modtog Clauser og Aspect Nobel-prisen i fysik sammen med østrigeren Anton Zeilinger for deres eksperimenter med sammenfiltrede lys-partikler og testen of Bells ulighed.
I dag bliver entanglement betragtet som et veldokumenteret kvantefænomen, som også kan skabes og kontrolleres i eksperimenter ved lave temperaturer, typisk under 1 grad over det absolutte nulpunkt. Man har også forstået, at entanglement er en yderst brugbar ressource, som potentielt kan udnyttes i en række kvanteteknologier, herunder kvantekommunikation, kvantekryptering, og kvantecomputere, som alle er baseret på kvantefysik og entanglement.