En ny studie publicerad i Science Advances har skakat om den vetenskapliga världen genom att demonstrera en extrem form av kvantmekanisk icke-klassicitet. Forskare från Kina och Danmark har genomfört ett experiment där de mätt ljuspulser i 37 dimensioner, vilket utmanar den klassiska fysikens lokalrealistiska ramverk. Genom att använda en fiberbaserad fotonisk processor och kvantsammanslingning lyckades teamet skapa ett system där fotoner existerar i en tillståndsrymd som kräver 37 parametrar för att beskrivas fullständigt. Denna uppsättning av icke-klassiska korrelationer, känd som GHZ-paradoxen, visar att kvantmekaniken inte kan förklaras av lokalrealistiska teorier och att dess icke-klassiska karaktär är mer extrem än tidigare antaget124.
GHZ-paradoxen och dess historiska kontext
Utvecklingen av GHZ-tillståndet
GHZ-paradoxen, uppkallad efter fysikerna Greenberger, Horne och Zeilinger, formulerades 1989 som ett sätt att belysa skillnaderna mellan kvantmekanik och klassisk fysik. I sin enklaste form innebär paradoxen att tre sammanslingade partiklar kan ge upphov till mätresultat som är matematiskt omöjliga inom en lokalrealistisk modell. Till exempel kan en ekvation som föreslår att 1 = -1 uppstå, vilket direkt motsäger klassisk logik146.
Detta tillstånd bygger på kvantsammanslingning, där partiklars egenskaper är korrelerade på ett sätt som inte kan förklaras av lokala interaktioner. Medan Bell-teorem och tidigare experiment fokuserade på tvåpartikelsystem, erbjuder GHZ-paradoxen en starkare form av icke-lokalitet genom att involvera minst tre partiklar29.
Lokalrealism kontra kvantmekanik
Lokalrealismen, en grundpelare i klassisk fysik, bygger på två antaganden:
- Lokalitet: Fysiska processer påverkar endast sin närmaste omgivning.
- Realism: Objekt har väldefinierade egenskaper oberoende av observation.
Kvantmekaniken bryter mot båda dessa principer. GHZ-paradoxen visar att sammanslingade partiklar kan uppvisa korrelationer som inte bara överskrider lokalitet utan också skapar logiska motsägelser inom en realistisk modell. Experimentet från 2025 utökar detta genom att använda en 37-dimensionell tillståndsrymd, vilket ökar komplexiteten i dessa korrelationer367.
Experimentell design och genomförande
Skapandet av högdimensionella fotoner
För att testa GHZ-paradoxen i extremform utvecklade forskarna en metod för att generera fotoner i en 37-dimensionell tillståndsrymd. Genom att kombinera koherent ljus från en laser med avancerad tidskodning och elektro-optisk modulation kunde de manipulera ljusets fas, amplitud och polarisation i en fiberbaserad processor. Denna uppsättning av 37 parametrar motsvarar olika ”kontexter” eller mätbara tillstånd för fotonerna159.
En kritisk komponent var användningen av homodyn detektion, som möjliggör precis mätning av både amplitud och fas hos ljusvågorna. Denna teknik gjorde det möjligt att kartlägga kvanttillstånden över alla 37 dimensioner samtidigt9.
Dimensionalitet i kvantsystem
Det är viktigt att klargöra att ”dimensioner” i detta sammanhang inte avser rumsliga dimensioner i traditionell mening. Istället representerar varje dimension en oberoende parameter eller tillståndsvariabel som krävs för att fullständigt beskriva systemet. I klassisk fysik räcker vanligtvis tre rumsliga dimensioner plus tid, men i kvantsystem kan antalet tillståndsparametrar vara mycket högre89.
Den 37-dimensionella tillståndsrymden i detta experiment konstruerades genom att kombinera:
- Tidsbin-kodning: Delar upp ljuspulser i tidssegment
- Rumslig modulering: Kontrollerar ljusets utbredning i fibern
- Fas- och amplitudvariationer: Skapar interferensmönster
Denna kombination genererade ett nätverk av sammanslingade tillstånd som krävde 37 olika mätningar för att karakteriseras fullständigt59.
Resultat och analys av icke-klassiska korrelationer
Brytningen av lokalrealism
Experimentet bekräftade att GHZ-paradoxen gäller även i extremt höga dimensioner. Genom att analysera korrelationerna mellan de 37 parametrarna visade forskarna att:
- Mätresultaten kunde inte förklaras av någon lokalrealistisk modell
- De matematiska motsägelserna i GHZ-paradoxen kvarstod trots ökad komplexitet
- Icke-lokaliteten var starkare än i tidigare experiment med lägre dimensionalitet129
En nyckelobservation var att sannolikhetsfördelningarna för olika mätutfall bildade ett mönster som endast kunde förklaras genom kvantmekaniska sammanslingningar. Klassiska sannolikhetsmodeller misslyckades med att reproducera dessa fördelningar, även när dolda variabler tilläts69.
Matematisk validering av paradoxen
Forskarna utvecklade en serie olikheter baserade på kontexttäckningstalet (context-cover number), som kvantifierar det minsta antalet mätkontexter som krävs för att täcka alla händelser i systemet. För detta 37-dimensionella fall visade de att:
∑i=137P(xi)>1\sum_{i=1}^{37}P(x_i)>1∑i=137P(xi)>1
där P(xi)P(x_i)P(xi)
är sannolikheten för händelse xix_ixi
inom en given kontext. Denna olikhet, som bryter mot klassiska sannolikhetslagar, bekräftar att systemet uppvisar genuint icke-klassiskt beteende9.
Implikationer för kvantteknologi och fundamentalfysik
Högdimensionella kvantsystem i praktiken
Denna typ av experiment öppnar dörrar för praktiska tillämpningar inom:
- Kvantberäkning: Högre dimensionalitet möjliggör fler qutritar (tre-tillståndssystem) och qudits (fler-tillståndssystem), vilket kan öka beräkningskapaciteten exponentiellt.
- Kvantkryptografi: Starkare icke-klassiska korrelationer kan ge säkrare kommunikationsprotokoll.
- Kvantsimulering: Möjlighet att modellera komplexa system som kräver många frihetsgrader245.
En specifik tillämpning är inom felfritt kvantdominans, där högdimensionella system kan minska felpropagering och öka toleransen för brus9.
Filosofiska konsekvenser och verklighetens natur
Resultaten väcker fundamentala frågor om varför vår makroskopiska värld upplevs som lokalrealistisk trots att kvantmekaniken dominerar på mikronivå. Flera hypoteser har framförts:
- Dekohärensteori: Interaktion med omgivningen ”utplånar” kvanteffekter
- Vågfunktionskollaps: Observation tvingar system att ”välja” tillstånd
- Many-worlds-tolkning: Alla möjligheter realiseras i parallella verkligheter
Dessa experiment ger emellertid inga direkta svar, men de begränsar vilka tolkningar som är förenliga med observationerna367.
Avgränsningar och framtida forskningsriktningar
Tekniska utmaningar och begränsningar
Trots framstegen finns flera utmaningar kvar:
- Skalbarhet: Att skapa ännu högre dimensionaliteter kräver större processorkapacitet
- Mätnoggrannhet: Homodyn detektion har begränsningar vid extremt svaga signaler
- Systemfel: Fiberbaserade system är känsliga för temperaturfluktuationer och mekanisk stress
Dessa begränsningar pekar på behovet av nya material och detektionstekniker59.
Framtida experimentella riktningar
Forskarna identifierar flera lovande vägar:
- Kombination med topologiska isolatorer: För att skapa stabila högdimensionella tillstånd
- Användning av kvantfotonik i fritt rymd: Undvika fiberns begränsningar
- Utnyttjande av orbital rörelsemängd: Ytterligare frihetsgrader för ökad dimensionalitet
En särskilt intressant möjlighet är att utforska sambandet mellan högdimensionalitet och kvantgravitation, där extrema kvanteffekter kan ge insikter om rumtids struktur19.
Slutsats
Detta banbrytande experiment har inte bara demonstrerat GHZ-paradoxen i rekordhöga dimensioner utan också visat att kvantmekanikens icke-klassiska karaktär är mer utpräglad än tidigare antaget. Genom att kombinera avancerad fotonik med innovativ matematisk modellering har forskarna kartlagt gränserna för vad som är möjligt inom både fundamentalfysik och kvantteknologi.
Resultaten understryker behovet av att ompröva vår förståelse av verkligheten och öppnar samtidigt konkreta möjligheter för nästa generations kvanttekniska innovationer. Som forskarna själva konstaterar: ”Efter 100 år av kvantmekanik kanske vi fortfarande bara ser toppen av isberget”247.
Citations:
- https://phys.org/news/2025-02-paradox-quantum-mechanics-pulse-dimensions.html
- https://www.thebrighterside.news/post/light-exists-in-37-dimensions-challenging-the-limits-of-quantum-mechanics/
- https://www.sciencealert.com/quantum-experiment-reveals-light-exists-in-dozens-of-dimensions
- https://www.popularmechanics.com/science/a63626808/37-dimensions-quantum-mechanics/
- https://charmingscience.com/experiment-with-37-dimensions-shows-how-strange-quantum-physics-can-be/
- https://www.bbeb.com/post/102jyva/quantum-experiment-reveals-light-existing-in-dozens-of-dimensions
- https://greekreporter.com/2025/02/05/light-particle-simultaneously-access-dimensions/
- https://www.reddit.com/r/science/comments/1igvscq/quantum_experiment_reveals_light_existing_in/
- https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abd8080
- https://www.semanticscholar.org/paper/af53dee2c0e032771bfd0bd6c95426468f8edf58
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39270171/
- https://arxiv.org/abs/2209.01363
- https://arxiv.org/abs/2411.03893
- https://arxiv.org/abs/2303.12511
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18936815/
- https://arxiv.org/abs/2208.03452
- https://arxiv.org/abs/2208.14065
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36493461/
- https://arxiv.org/abs/1808.07148
- https://www.newscientist.com/article/2466110-experiment-with-37-dimensions-shows-how-strange-quantum-physics-can-be/
- https://www.linkedin.com/posts/william-bill-kemp-75b66a6_quantum-experiment-reveals-light-existing-activity-7292286680105975808-BK1E
- https://x.com/ScienceAlert/status/1886362878153756994
- https://www.linkedin.com/posts/keith-king-03a172128_quantum-experiment-reveals-light-existing-activity-7293326397710708737-ojiH
- https://www.facebook.com/story.php?story_fbid=1186763156789458&id=100063673536302
- https://www.yahoo.com/news/quantum-experiment-reveals-light-existing-063418175.html
- https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj4249
- https://universemagazine.com/en/paradoxical-discovery-photons-simultaneously-exist-in-37-spatial-dimensions/
- https://www.aol.com/scientists-produced-particle-light-simultaneously-180000459.html
- https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1439
