Kvantverkligheten formar forskaren snarare än tvärtom

Under ett tonårsframträdande med ett rockband, som var tänkt att bli ett karriärdefinierande ögonblick, vred en ung gitarrist upp sin förstärkare till tio i hopp om en ljudvägg som skulle cementera hans lokala legendstatus. Istället gick säkringen. Tystnaden som följde var inte av det djupa slaget; det var den pinsamma sorten som uppstår vid tekniska fel under strålkastarljuset. I åratal undrade musikern – som vuxit upp till att bli fysikern Vlatko Vedral vid Oxford – om han helt enkelt hade hamnat i en ”oturversion” av universum. I den klassiska fysikens värld går en säkring antingen sönder eller så gör den inte det. I kvantvärlden, menar Vedral nu, är historien betydligt mer trångbodd.

Den gängse berättelsen om kvantmekanik, som ofta lärs ut som en serie märkliga men etablerade paradoxer, sätter vanligtvis den mänskliga observatören i centrum. Vi får höra att partiklar existerar i ett dimmigt tillstånd av många möjligheter – superposition – fram till dess att en människa betraktar dem, varpå vågfunktionen ”kollapsar” till en enda, tråkig verklighet. Vedral, professor i kvantinformationsvetenskap vid Oxford, ingår i en växande skara som anser att denna antropocentriska syn inte bara är rörig, utan troligen felaktig. Hans argument vänder på steken: det är inte människan som får verkligheten att kollapsa, utan verkligheten som sammanflätar människan och förgrenar henne i flera versioner som fortfarande, under mycket specifika förhållanden, kan viska till varandra över multiversums tomrum.

Myten om den privilegierade observatören

”Observatörseffekten” har länge varit en favorit bland metafysiska spekulanter och New Age-författare som hävdar att mänskligt medvetande skapar världen. För en fysiker som grundar sig i informationsteorins stringenta matematik är detta en källa till ständig frustration. Problemet med standardtolkningen från Köpenhamn – idén att observation orsakar kollaps – är att den aldrig definierar vad en ”observatör” faktiskt är. Krävs det en doktorsexamen? En hjärna? En encellig amöba? En kiselsensor?

Detta är mer än bara en filosofisk preferens. Det representerar ett skifte från att se observatören som en ”kontrollant” av händelser till att se observatören som en komponent i ett större, deterministiskt system. I det europeiska forskningslandskapet, där programmet Quantum Flagship satsar miljarder på utvecklingen av kvantsensorer och klockor, är denna distinktion viktig. Om vi antar att observatören är en magisk extern entitet missar vi den tekniska verkligheten: varje del av en kvantdator ”observerar” varje annan del, vilket leder till den snabba förlust av kvantinformation som kallas dekoherens. Modern fysiks kamp handlar inte bara om att göra saker små; den handlar om att hindra dem från att ”se” resten av rummet.

Hur många versioner av Bob krävs för att se en foton?

För att förankra detta i det fysiska använder Vedral exemplet med en man vid namn Bob. När en foton träffar Bobs solglasögon existerar den i en superposition. Den mekaniska interaktionen mellan fotonen och glasets molekyler, och därefter neuronerna i Bobs näthinna, skapar en kedja av sammanflätning (entanglement). Detta är vad fysiker kallar en ”von Neumann-kedja”. Fotonens tillstånd är nu knutet till ögats tillstånd, vilket i sin tur är knutet till hjärnans tillstånd.

Avgörande är Vedrals argument att denna kedja inte stannar vid kraniet. Den sträcker sig till omgivningen. Anledningen till att vi inte upplever att vi förgrenas i flera versioner varje sekund beror på den enorma komplexiteten i dessa interaktioner. När informationen om fotonen väl läcker ut i luftmolekylerna och golvplankorna blir de olika versionerna av ”Bob” så distinkta att de inte längre kan interagera. De förlorar sin ”koherens”.

Det matematiska hjärtat i Vedrals argument är dock att dessa grenar inte är helt frånkopplade. I en högst kontrollerad miljö – en som liknar en utspädningskyl i ett laboratorium i Garching mer än en rockkonsert i London – är det teoretiskt möjligt för dessa grenar att interferera med varandra. Detta är fenomenet kvantinterferens, där två vägar för en partikel kan ta ut varandra eller förstärka varandra. Vedral föreslår att om detta gäller partiklar, måste det i princip även gälla de versioner av ”dig” som är sammanflätade med dem.

Alice-experimentet och minnets radering

Den mest kontroversiella aspekten av denna teori rör möjligheten att vända dessa interaktioner. Föreställ dig en andra observatör, Alice, som har förmågan att manipulera Bob och fotonen som om de vore ett enda kvantsystem. Om Alice perfekt kan vända sammanflätningen mellan Bob och ljuset, skulle hon effektivt kunna ”ångra” Bobs observation. Ur Bobs perspektiv skulle han inte ha något minne av händelsen, men den underliggande kvantmatematiken antyder att båda möjliga verkligheter måste ha existerat för att vändningen skulle kunna lyckas.

Detta är i huvudsak en makroskopisk version av Wigners vän, ett tankeexperiment som nyligen testats i småskaliga laboratoriemiljöer. Experiment vid University of Edinburgh och på andra håll har visat att två olika observatörer faktiskt kan vara oense om ”faktumet” huruvida en händelse inträffat, och båda kan ha matematiskt rätt. Detta är inte bara ett kommunikationsfel; det är ett fundamentalt drag i kvantlandskapet.

För industripolitiken är det här den teoretiska verkligheten möter praktiken. Europeiska investeringar i kvantkommunikation – såsom EuroQCI-initiativet – bygger på principen att kvantinformation inte kan kopieras eller observeras utan att ändras. Om Vedral har rätt, och ”observation” bara är en specifik typ av sammanflätning som i teorin skulle kunna manipuleras eller till och med kringgås av observatörer i högre ordning, kan våra nuvarande antaganden om kvantnätverkens absoluta säkerhet en dag behöva omprövas. Om man kan göra observatören ogjord, kan man då göra säkerheten ogjord?

Verkligheten i det otursdrabbade universumet

Skepsisen mot Vedrals ”många jag”-modell kommer ofta från experimentalisterna. I korridorerna på Max Planck-institutet eller i Bosch renrum ligger fokus på att dämpa brus, inte på att begrunda interferens mellan alternativa jag. Universumet är otroligt ”ojämnt” och brusigt. Sannolikheten att en version av dig från ett ”lyckligt universum” där förstärkaren inte gick sönder faktiskt påverkar ditt nuvarande fysiska tillstånd är så försvinnande liten att det krävs flera storleksordningar fler nollor än vad det finns atomer i den synliga världen.

Ändå vidhåller Vedral att det är ett logiskt misstag att ignorera dessa förgreningar. Bara för att vi inte enkelt kan mäta de andra grenarna betyder det inte att de inte är en del av den funktionella beskrivningen av verkligheten. Han ser universum som en gigantisk dator – ett perspektiv som delas av hans Oxford-kollega David Deutsch. I denna syn, som ligger nära ”konstruktörsteorin”, handlar fysik inte om vad som händer, utan om vilka transformationer som är möjliga och varför. Om en version av dig existerar där du gjorde ett annat val, är den möjligheten inbakad i universums initiala villkor.

Det finns en inneboende spänning här mellan den brittiska skolan inom teoretisk fysik, som ofta lutar åt dessa omfattande, allt-inkluderande tolkningar av verkligheten, och den mer pragmatiska, ingenjörsfokuserade metoden hos kvanthubbarna i Rhen-Ruhr-regionen. Medan man i Oxford funderar på om Bobs hjärna är en kvantvågsfunktion, arbetar tyska ingenjörer febrilt med att säkerställa att en kvantbit kan förbli stabil i mer än några få mikrosekunder vid fyra Kelvin. Båda behövs, men de talar olika språk.

Vedrals rockbandsanekdot fungerar som en påminnelse om att vetenskap ofta börjar med en personlig känsla av orättvisa – känslan av att saker borde ha gått annorlunda. Kvantmekanik, i hans berättelse, är den enda vetenskapsgren som faktiskt tillåter att detta ”annorlunda” existerar. Det antyder att verkligheten inte är en enskild stig genom en skog, utan hela skogen i sig, och vi är helt enkelt för upptagna med att titta på våra egna fötter för att se de andra versionerna av oss som går bland träden.

I slutändan förblir idén om att en annan version av dig formar din verklighet en obevisad, och kanske obevisbar, hypotes. Den befinner sig på gränsen till vad vi kan kalla vetenskap, just för att de ”andra versionerna” per definition är otillgängliga. Men i takt med att vi närmar oss bygget av storskaliga kvantsystem som omfattar miljontals sammanflätade partiklar, kan vi upptäcka att gränsen mellan ett ”laboratorieexperiment” och en ”version av verkligheten” börjar suddas ut. För närvarande förblir säkringen trasig. Oxford har teorin, men resten av världen väntar fortfarande på en version av experimentet som faktiskt fungerar.