Profesor fizyki w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze, jeden z pionierów teleportacji kwantowej, Eugene Polzik, wyjaśnił RIA Novosti, gdzie przebiega granica między światem „rzeczywistym” i „kwantowym”, dlaczego nie można teleportować człowieka i jak udało mu się stworzyć materię o „masie ujemnej”.
Pięć lat temu jego zespół po raz pierwszy przeprowadził eksperyment polegający na teleportowaniu nie pojedynczego atomu lub cząstki światła, ale makroskopijnego obiektu.
Niedawno przewodniczył międzynarodowej radzie doradczej Rosyjskiego Centrum Kwantowego (RQC), zastępując Michaiła Lukina, twórcę jednego z największych komputerów kwantowych na świecie i światowego lidera w dziedzinie obliczeń kwantowych. Zdaniem profesora Polzika będzie się koncentrował na rozwijaniu i realizacji potencjału intelektualnego młodych rosyjskich naukowców oraz wzmacnianiu międzynarodowego udziału w pracach RCC.
„Eugene, czy ludzkość kiedykolwiek będzie w stanie teleportować więcej niż pojedyncze cząstki lub zbiór atomów lub innych makroskopowych obiektów?
- Nie masz pojęcia, jak często mnie to pytanie zadaje - dziękuję, że nie pytałeś mnie, czy można teleportować osobę. Ogólnie rzecz biorąc, sytuacja wygląda następująco.
Wszechświat to gigantyczny obiekt splątany na poziomie kwantowym. Problem w tym, że nie jesteśmy w stanie „zobaczyć” wszystkich stopni swobody tego obiektu. Jeśli weźmiemy duży obiekt w takim układzie i spróbujemy go rozważyć, wówczas interakcje tego obiektu z innymi częściami świata spowodują powstanie tak zwanego „stanu mieszanego”, w którym nie ma splątania.
W świecie kwantowym działa tak zwana zasada monogamii. Wyraża się to w tym, że jeśli mamy dwa idealnie splecione obiekty, to oba nie mogą mieć tak silnych „niewidzialnych połączeń” z żadnymi innymi obiektami otaczającego świata, jak ze sobą.
Eugene Polzik, profesor w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze i przewodniczący międzynarodowej rady doradczej RCC. Zdjęcie: RCC.
Film promocyjny:
Wracając do kwestii teleportacji kwantowej, oznacza to, że w zasadzie nic nie stoi na przeszkodzie, aby mylić i teleportować obiekt wielkości co najmniej całego Wszechświata, ale w praktyce uniemożliwi nam to dostrzeżenie wszystkich tych połączeń jednocześnie. Dlatego, kiedy przeprowadzamy takie eksperymenty, musimy odizolować obiekty makro od reszty świata i pozwolić im na interakcję tylko z „niezbędnymi” obiektami.
Na przykład w naszych eksperymentach udało się to osiągnąć dla chmury zawierającej bilion atomów, ponieważ znajdowały się w próżni i były trzymane w specjalnej pułapce, która izolowała je od świata zewnętrznego. Nawiasem mówiąc, te kamery zostały opracowane w Rosji - w laboratorium Michaiła Bałabasa na Uniwersytecie Państwowym w Petersburgu.
Później przeszliśmy do eksperymentów na większych obiektach, które można zobaczyć gołym okiem. A teraz prowadzimy eksperyment dotyczący teleportacji drgań powstających w cienkich membranach wykonanych z materiałów dielektrycznych, mierzących milimetr po milimetrze.
Teraz z drugiej strony osobiście bardziej interesują mnie inne dziedziny fizyki kwantowej, w których wydaje mi się, że w najbliższej przyszłości nastąpi prawdziwy przełom. Z pewnością zaskoczą każdego.
Gdzie dokładnie?
- Wszyscy dobrze wiemy, że mechanika kwantowa nie pozwala nam wiedzieć wszystkiego, co dzieje się w otaczającym nas świecie. Ze względu na zasadę nieoznaczoności Heisenberga nie możemy jednocześnie zmierzyć wszystkich właściwości obiektów z najwyższą możliwą dokładnością. I w tym przypadku teleportacja zamienia się w narzędzie, które pozwala nam ominąć to ograniczenie, przekazując nie częściowe informacje o stanie obiektu, ale o całym obiekcie.
Te same prawa świata kwantowego uniemożliwiają nam dokładne zmierzenie trajektorii ruchu atomów, elektronów i innych cząstek, ponieważ możliwe jest określenie dokładnej prędkości ich ruchu lub ich położenia. W praktyce oznacza to, że dokładność wszelkiego rodzaju czujników ciśnienia, ruchu i przyspieszenia jest ściśle ograniczona przez mechanikę kwantową.
Niedawno zdaliśmy sobie sprawę, że nie zawsze tak jest: wszystko zależy od tego, co rozumiemy przez „prędkość” i „pozycję”. Na przykład, jeśli podczas takich pomiarów użyjemy nie klasycznych układów współrzędnych, ale ich kwantowych odpowiedników, to te problemy znikną.
Innymi słowy, w systemie klasycznym próbujemy określić położenie konkretnej cząstki względem, z grubsza rzecz biorąc, stołu, krzesła lub innego punktu odniesienia. W kwantowym układzie współrzędnych zero będzie kolejnym obiektem kwantowym, z którym oddziałuje interesujący nas układ.
Okazało się, że mechanika kwantowa umożliwia pomiar obu parametrów - zarówno prędkości ruchu, jak i trajektorii - z nieskończenie dużą dokładnością dla pewnej kombinacji właściwości punktu odniesienia. Co to za kombinacja? Chmura atomów służąca jako zero kwantowego układu współrzędnych musi mieć efektywną masę ujemną.
W rzeczywistości, oczywiście, atomy te nie mają "problemów z wagą", ale zachowują się tak, jakby miały ujemną masę, ze względu na to, że znajdują się one w specjalny sposób względem siebie i znajdowały się wewnątrz specjalnego pola magnetycznego. W naszym przypadku prowadzi to do tego, że przyspieszenie cząstki maleje, ale nie zwiększa jej energii, co jest absurdalne z punktu widzenia klasycznej fizyki jądrowej.
Pomaga nam to pozbyć się przypadkowych zmian położenia cząstek lub prędkości ich ruchu, które występują, gdy mierzymy ich właściwości za pomocą laserów lub innych źródeł fotonów. Jeśli na torze tego promienia umieścimy chmurę atomów o „ujemnej masie”, to najpierw wejdzie z nimi w interakcję, a następnie przeleci przez badany obiekt, te przypadkowe zakłócenia będą się wzajemnie eliminować i będziemy w stanie zmierzyć wszystkie parametry z nieskończenie dużą dokładnością.
To wszystko dalekie od teorii - kilka miesięcy temu przetestowaliśmy już te pomysły eksperymentalnie i opublikowaliśmy wynik w czasopiśmie Nature.
Czy są jakieś praktyczne zastosowania tego?
- Już rok temu powiedziałem, przemawiając w Moskwie, że podobną zasadę „usuwania” kwantowej niepewności można zastosować do poprawy dokładności LIGO i innych obserwatoriów grawitacyjnych.
Wtedy to był tylko pomysł, ale teraz zaczął nabierać kształtu. Pracujemy nad jego wdrożeniem wspólnie z jednym z pionierów pomiarów kwantowych i uczestnikiem projektu LIGO, profesorem Faridem Khalili z RCC i Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego.
Nie mówimy oczywiście o instalacji takiego systemu na samym czujniku - to bardzo skomplikowany i czasochłonny proces, a samo LIGO ma plany, w które po prostu nie możemy się wdrożyć. Z drugiej strony są już zainteresowani naszymi pomysłami i są gotowi do dalszego wysłuchania.
W każdym razie najpierw trzeba stworzyć działający prototyp takiej instalacji, który pokaże, że naprawdę możemy przekroczyć granicę dokładności pomiaru narzuconej przez zasadę nieoznaczoności Heisenberga i inne prawa świata kwantowego.
Pierwsze tego typu eksperymenty przeprowadzimy na dziesięciometrowym interferometrze w Hanowerze, mniejszej kopii LIGO. Obecnie montujemy wszystkie niezbędne komponenty tego systemu, w tym stojak, źródła światła i chmurę atomów. Jeśli nam się uda, to jestem pewien, że nasi amerykańscy koledzy nas wysłuchają - nie ma jeszcze innych sposobów na obejście kwantowej granicy.
Czy zwolennicy deterministycznych teorii kwantowych, którzy uważają, że w świecie kwantowym nie ma szans, uznają takie eksperymenty za dowód poprawności swoich pomysłów?
- Szczerze mówiąc, nie wiem, co o tym myślą. W przyszłym roku organizujemy w Kopenhadze konferencję na temat granic między fizyką klasyczną i kwantową oraz podobnymi zagadnieniami filozoficznymi, na którą mogą uczestniczyć, jeśli chcą przedstawić swoją wizję tego problemu.
Ja sam trzymam się klasycznej kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej i przyznaję, że funkcje falowe nie są ograniczone rozmiarami. Na razie nie widzimy żadnych oznak, że jej przepisy są gdzieś łamane lub sprzeczne z praktyką.
Laboratorium Optyki Kwantowej w Rosyjskim Centrum Kwantowym. Zdjęcie: RCC.
W ostatnich latach fizycy przeprowadzili niezliczone testy nierówności Bella i paradoksu Einsteina-Podolskiego-Rosena, które całkowicie wykluczają możliwość, że zachowanie obiektów na poziomie kwantowym może być kontrolowane przez pewne ukryte zmienne lub inne rzeczy poza zakresem klasycznej teorii kwantów.
Na przykład, kilka miesięcy temu miał miejsce inny eksperyment, który zamknął wszystkie możliwe „dziury” w równaniach Bella używanych przez zwolenników teorii ukrytych zmiennych. Pozostaje nam tylko, parafrazując Nielsa Bohra i Richarda Feynmana, „zamknij się i eksperymentuj”: wydaje mi się, że powinniśmy zadawać sobie tylko te pytania, na które można odpowiedzieć eksperymentalnie.
Jeśli wrócimy do teleportacji kwantowej - biorąc pod uwagę problemy, które opisałeś: czy znajdzie ona zastosowanie w komputerach kwantowych, satelitach komunikacyjnych i innych systemach?
- Jestem przekonany, że technologie kwantowe będą coraz bardziej przenikać do systemów komunikacyjnych i szybko wkroczą do naszego codziennego życia. Jak dokładnie nie jest jeszcze jasne - na przykład informacje mogą być przesyłane zarówno przez teleportację, jak i zwykłymi liniami światłowodowymi z wykorzystaniem kwantowych systemów dystrybucji kluczy.
Z kolei pamięć kwantowa, jak sądzę, po pewnym czasie również stanie się rzeczywistością. Konieczne będzie przynajmniej stworzenie repeaterów dla sygnałów i systemów kwantowych. Z drugiej strony trudno przewidzieć, jak i kiedy to wszystko zostanie wdrożone.
Wcześniej czy później teleportacja kwantowa nie stanie się egzotyczna, ale codzienną rzeczą, z której może korzystać każdy. Oczywiście tego procesu raczej nie zobaczymy, ale wyniki jego pracy, w tym bezpieczne sieci transmisji danych i systemy łączności satelitarnej, odegrają ogromną rolę w naszym życiu.
Jak daleko technologie kwantowe przenikną do innych dziedzin nauki i życia niezwiązanych z informatyką czy fizyką?
- To dobre pytanie, na które jeszcze trudniej odpowiedzieć. Kiedy pojawiły się pierwsze tranzystory, wielu naukowców wierzyło, że znajdą zastosowanie tylko w aparatach słuchowych. Tak się stało, chociaż obecnie tylko niewielka część przyrządów półprzewodnikowych jest wykorzystywana w ten sposób.
Niemniej jednak wydaje mi się, że rzeczywiście nastąpi przełom kwantowy, ale nie wszędzie. Na przykład wszelkie gadżety i urządzenia, które oddziałują ze środowiskiem i w jakiś sposób mierzą jego właściwości, nieuchronnie osiągną kwantową granicę, o której już mówiliśmy. Nasze technologie pomogą im ominąć ten limit lub przynajmniej zminimalizować zakłócenia.
Co więcej, już rozwiązaliśmy jeden z tych problemów, stosując to samo podejście „masy ujemnej”, ulepszając kwantowe czujniki pola magnetycznego. Takie urządzenia mogą znaleźć bardzo specyficzne zastosowania biomedyczne - można je wykorzystać do monitorowania pracy serca i mózgu, oceny szans na zawał serca i innych problemów.
Moi koledzy z RCC robią coś podobnego. Teraz wspólnie dyskutujemy o tym, co osiągnęliśmy, próbując połączyć nasze podejścia i uzyskać coś bardziej interesującego.