Świat kwantowy jest często sprzeczny ze zdrowym rozsądkiem. Laureat Nagrody Nobla Richard Feynman powiedział kiedyś: „Myślę, że mogę śmiało powiedzieć, że nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”. Teleportacja kwantowa to tylko jedno z tych dziwnych i pozornie nielogicznych zjawisk.
W 2017 roku naukowcy z Chin teleportowali obiekt w kosmos. To nie był człowiek, nie pies ani nawet cząsteczka. To był foton. A raczej informacje opisujące konkretny foton. Ale dlaczego nazywa się to teleportacją?
Najważniejsze jest to, że teleportacja kwantowa ma niewiele wspólnego z samą teleportacją. Chodzi raczej o stworzenie internetu, którego nie da się zhakować. Zanim jednak przejdziemy bezpośrednio do tego zagadnienia, porozmawiajmy o paradoksie.
Genialny fizyk i autor Specjalnych i Ogólnych Teorii Względności, Albert Einstein, uważał mechanikę kwantową za wadliwą teorię. W 1935 roku wraz z fizykami Borisem Podolskim i Nathanem Rosenem napisał artykuł, w którym zdefiniował paradoks, który podważa niemal wszystko, co wiąże się z mechaniką kwantową - paradoks EPR.
Mechanika kwantowa to nauka o najmniejszych aspektach wszechświata: atomach, elektronach, kwarkach, fotonach i tak dalej. Ujawnia paradoksalne, a czasem sprzeczne aspekty rzeczywistości fizycznej. Jednym z takich aspektów jest fakt, że mierząc cząstkę, „zmieniasz” ją. Zjawisko to ostatecznie nazwano efektem obserwatora: akt pomiaru zjawiska nieodwracalnie na nie wpływa.
Schematyczny opis eksperymentalnego układu teleportacji fotonu w kosmos / Chińska Akademia Nauk.
Często, aby obserwować atom, świecimy nad nim. Fotony tego światła oddziałują z cząstką, wpływając w ten sposób na jej położenie, moment pędu, spin lub inne właściwości. W świecie kwantowym używanie fotonów do obserwacji atomu jest podobne do używania kul do kręgli do liczenia kręgli na końcu kręgielni. W rezultacie niemożliwe jest dokładne poznanie wszystkich właściwości cząstki, ponieważ w trakcie jej badania obserwator wpływa na wynik.
Efekt obserwatora jest często mylony z ideą, że świadomość może w jakiś sposób wpływać na rzeczywistość, a nawet ją tworzyć. W rzeczywistości nie ma nic nadprzyrodzonego w tym efekcie, ponieważ w ogóle nie wymaga on świadomości.
Film promocyjny:
Fotony zderzające się z atomem wywołują ten sam efekt obserwatora, niezależnie od tego, czy zbliżają się do niego w wyniku działań ze strony ludzkiej świadomości, czy nie. W tym przypadku „obserwacja” oznacza po prostu interakcję.
Nie możemy być zewnętrznymi obserwatorami. W układach kwantowych człowiek zawsze bierze czynny udział, zacierając wyniki.
Właśnie tego nie lubił Albert Einstein. Dla niego ta nieodłączna dwuznaczność wskazywała na niekompletność w mechanice kwantowej, którą należało wyeliminować. Naukowiec uważał, że rzeczywistość nie może być tak zawodna. Do tego właśnie odnosi się jego słynne zdanie: „Bóg nie gra w kości z Wszechświatem”.
I nic nie podkreślało słabości mechaniki kwantowej bardziej niż paradoks splątania kwantowego.
Czasami, w skali kwantowej, cząstki mogą zostać ze sobą połączone w taki sposób, że pomiar właściwości jednej cząstki natychmiast wpływa na inną, bez względu na to, jak bardzo są od siebie oddalone. To jest splątanie kwantowe.
Zgodnie z teorią względności Einsteina nic nie może podróżować szybciej niż światło. Jednak splątanie kwantowe wydawało się łamać tę zasadę. Jeśli jedna cząstka jest splątana z inną, a każda możliwa zmiana, która zachodzi w jednej z nich, wpływa na drugą, to musi istnieć między nimi jakiś związek. W przeciwnym razie, jak mogą na siebie wpływać? Ale jeśli dzieje się to natychmiast, pomimo odległości, to połączenie musi następować szybciej niż prędkość światła - stąd właśnie paradoks EPR.
Jeśli spróbujesz zmierzyć, przez którą szczelinę przechodzi elektron podczas eksperymentu z dwoma szczelinami, nie otrzymasz wzoru interferencyjnego. Zamiast tego elektrony nie będą zachowywać się jak fale, ale jak „klasyczne” cząstki.
Einstein nazwał to zjawisko „upiorną akcją na odległość”. Cała dziedzina mechaniki kwantowej wydawała mu się równie słaba jak domniemane splątanie kwantowe. Fizyk do końca życia bezskutecznie próbował „naprawić” teorię, ale nic z tego nie wyszło. Po prostu nie było nic do naprawienia.
Po śmierci Einsteina wielokrotnie udowadniano, że mechanika kwantowa jest poprawna i działa, nawet jeśli często jest to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Naukowcy potwierdzili, że paradoks splątania kwantowego jest zjawiskiem rzeczywistym i generalnie nie jest to paradoks. Pomimo tego, że splątanie zachodzi natychmiast, żadna informacja nie może być przekazywana między cząstkami szybciej niż prędkość światła.
Jak to wszystko ma się do teleportacji kwantowej? Wróćmy do naszego tematu. Faktem jest, że w ten sposób można nadal przekazywać informacje. Dokładnie to zrobili naukowcy z Chin w 2017 roku. Chociaż nazywa się to „teleportacją”, w rzeczywistości naukowcy dokonali transferu informacji między dwoma splątanymi fotonami.
Kiedy promień lasera jest kierowany przez specjalny kryształ, emitowane przez niego fotony są splątane. Więc kiedy jeden foton jest mierzony w splątanej parze, stan drugiego jest natychmiast znany. Jeśli użyjesz ich stanów kwantowych jako nośnika sygnału, informacje mogą być przesyłane między dwoma fotonami. Robiono to już wcześniej w laboratoriach na całym świecie, ale nigdy wcześniej ten proces nie odbywał się z takiej odległości.
Chińscy naukowcy wysłali splątany foton do satelity 1400 kilometrów nad Ziemią. Następnie splątali foton pozostający na planecie z trzecim fotonem, co pozwoliło mu przesłać swój stan kwantowy do fotonu na satelicie, tym samym skutecznie kopiując trzeci foton na orbicie. Jednak trzeci foton nie został fizycznie przeniesiony do satelity. Przesyłano i odtwarzano tylko informacje o jego stanie kwantowym.
Więc to nie była teleportacja w stylu Star Trek. Ale największym przełomem w tym eksperymencie nie była teleportacja, ale komunikacja.
Internet kwantowy oparty na splątanych cząstkach byłby prawie niemożliwy do zhakowania. A wszystko dzięki efektowi obserwatora.
Jeśli ktoś spróbuje przechwycić jedną z tych transmisji kwantowych, w istocie będzie to próba obserwacji cząstki, która - jak już wiemy - ją zmieni. Uszkodzona transmisja byłaby natychmiast widoczna, ponieważ cząstki przestałyby być splątane lub transmisja została całkowicie zniszczona.
Kwantowy Internet byłby prawie w 100% bezpieczną siecią komunikacyjną. Bez dostępu do splątanych cząstek nikt nie mógł go zhakować. A gdyby ktoś uzyskał dostęp do jednej ze splątanych cząstek, natychmiast by to zauważył, ponieważ cząstka zniknęłaby, co oznacza, że Internet przestałby działać. W ten sposób może być bardziej przydatne niż urządzenie do teleportacji fotonów.
Badacze musieli wykonać ponad milion prób, aby skutecznie splątać nieco ponad 900 cząstek. Ponieważ fotony muszą przejść przez naszą atmosferę, istnieje duże prawdopodobieństwo, że będą oddziaływać z innymi cząsteczkami, a zatem zostaną „zaobserwowane”, eliminując splątanie i kończąc transmisję.
Teleportacja kwantowa traci wszystkie informacje o pierwotnej cząstce, ale tworzy identyczną kopię na drugim końcu / & kopia; Jim Al-Khalili / Podczas teleportacji kwantowej wszystkie informacje o pierwotnej cząstce są tracone, ale identyczna kopia jest tworzona na drugim końcu / Jim Al-Khalili.
Czy pewnego dnia - kiedyś w odległej przyszłości - użyjemy tej samej techniki do teleportowania dużych obiektów, a nawet ludzi? Teoretycznie tak. Spowodowałoby to splątanie każdej cząstki w ciele z taką samą liczbą cząstek w miejscu przeznaczenia. Każdy stan i pozycja wszystkich twoich cząstek będzie musiała zostać zeskanowana i przeniesiona w inne miejsce. Cząstki oczekujące zostaną splątane i zaakceptują przekazaną im informację, natychmiast przyjmując stan identyczny z pierwotnymi cząstkami. Jest to zasadniczo to samo, co stało się z fotonami w chińskim eksperymencie. Jedyna różnica polega na tym, że dotyczy każdej cząsteczki w twoim ciele.
Jednak nie powinieneś być zachwycony. Teleportacja również podlega efektowi obserwatora. Proces skanowania, który mierzy wszystkie twoje cząstki, natychmiast zmieniłby je wszystkie. Możliwe, że zmiany były dla ciebie nieprzyjemne, zamieniłbyś się w nierozpoznawalny szlam kwantowy. Przestałbyś istnieć w pierwotnym punkcie i pojawiłbyś się w innym - dokładnie to samo, ale z nowym zestawem cząstek. Ale to, czy pozostaniesz sobą, czy nie, to zupełnie inna kwestia.
Vladimir Guillen