W zeszłym miesiącu miliarder Yuri Milner i astrofizyk Stephen Hawking ogłosili Breakthrough Starshot: niesamowicie ambitny plan wysłania pierwszego statku kosmicznego stworzonego przez człowieka do innego systemu gwiezdnego w naszej galaktyce. Gigantyczny układ laserowy mógłby wystrzelić aparat wielkości mikroczipa do innej gwiazdy z 20% prędkością światła. Nie jest jednak jasne, w jaki sposób to małe urządzenie byłoby w stanie komunikować się z nami poprzez rozległą przestrzeń międzygwiazdową. A co ze splątaniem kwantowym? Czy można to zastosować do takiego połączenia?
Ten pomysł z pewnością zasługuje na uwagę.
Wyobraź sobie dwie monety, z których każda może wychodzić z orła lub reszką. Ty masz jedną monetę, ja mam drugą i jesteśmy od siebie bardzo daleko. Wyrzucamy monety w powietrze, łapiemy je i klepiemy o stół. Zanim spojrzymy na wylądowaną figurę, spodziewamy się, że wypadnie reszka 50/50 i oczywiście również reszka. W zwykłym, rozplątanym wszechświecie twoje wyniki i moje będą od siebie niezależne. Jeśli wypadniesz reszka, moja moneta ma 50% szans na wypadnięcie orła lub reszki. Ale w pewnych warunkach wyniki te mogą być mylące: jeśli przeprowadzisz ten eksperyment i wypadnie reszka, będziesz wiedział, że moja moneta ma 100% szans na pokazanie orła, zanim ci powiem. Dowiesz się o tym natychmiast, nawet jeśli dzieli nas lata świetlne i nie minęła ani jedna sekunda.
W fizyce kwantowej zwykle nie splątamy monet, ale pojedyncze cząstki, takie jak elektrony i fotony, w których np. Każdy foton może mieć spin +1 lub -1. Jeśli zmierzysz spin jednego fotonu, natychmiast rozpoznasz spin innego, nawet jeśli jest on oddalony od nas o pół wszechświata. Dopóki nie zmierzysz spinu jednego fotonu, oba istnieją w stanie nieokreślonym; ale jak tylko ktoś zostanie zmierzony, od razu o tym wiesz. Na Ziemi przeprowadziliśmy taki eksperyment, oddzielając dwa splątane fotony o wiele kilometrów i mierząc ich obroty w ciągu nanosekundy. Okazało się, że jeśli zmierzymy spin jednego i okaże się, że wynosi on +1, to okazuje się, że spin drugiego -1 jest 10 000 razy szybszy niż pozwala na to prędkość światła.
A oto pytanie: czy moglibyśmy wykorzystać tę właściwość - splątanie kwantowe - do komunikowania się z odległym układem gwiazd? Odpowiedź: tak, jeśli weźmiemy pod uwagę wykonanie pomiaru w odległej lokalizacji jako formę komunikacji. Ale kiedy mówisz „connect”, zazwyczaj chcesz wiedzieć coś o miejscu, z którym się łączysz. Możesz na przykład trzymać splątaną cząstkę w nieokreślonym stanie, wysłać ją na pokład statku kosmicznego do pobliskiej gwiazdy i nakazać jej, aby szukała śladów skalistych planet w ekosferze tej gwiazdy. Widząc jednego, dokonuje pomiaru, co prowadzi do tego, że twoja cząstka będzie w stanie +1, a jeśli nie, to pomiar pokaże, że twoja cząstka jest w stanie -1.
Film promocyjny:
Tak więc, jak przypuszczasz, cząstka na Ziemi powinna być w stanie -1 podczas pomiaru, co będzie wskazywać, że sonda znalazła planetę w strefie nadającej się do zamieszkania lub w stanie +1, co będzie wskazywać, że urządzenie ma planetę nie znaleziono. Jeśli wiesz, że dokonano pomiaru, możesz wykonać swój własny pomiar i natychmiast dowiedzieć się o stanie innej cząstki, nawet jeśli znajduje się ona wiele lat świetlnych od nas.
Wzór falowy dla elektronów przechodzących przez podwójną szczelinę. Jeśli zmierzysz, przez którą szczelinę przechodzi elektron, zniszczysz wzór kwantowej interferencji.
Plan jest w porządku. Ale jest problem: splątanie działa tylko wtedy, gdy zapytasz cząstkę: w jakim jesteś stanie? Jeśli umieścisz splątaną cząstkę w pewnym stanie, przerwiesz splątanie, a pomiar na Ziemi będzie całkowicie niezależny od pomiaru odległej gwiazdy. Jeśli po prostu zmierzyłeś odległą cząstkę (i dowiedziałeś się: +1 lub -1), to twój pomiar na Ziemi również wyniesie -1 lub +1 (odpowiednio) i dostarczy ci informacji o cząstce znajdującej się lata świetlne od ciebie. Jeśli zanurzysz cząstkę w stanie +1 lub -1, to niezależnie od wyniku, twoja cząstka na Ziemi będzie miała 50% prawdopodobieństwo +1 lub -1 i nie powie nic o cząstce przez wiele lat świetlnych.
Jest to jedna z najbardziej niezrozumiałych rzeczy w fizyce kwantowej: splątanie może być wykorzystane do uzyskania informacji o komponencie układu, gdy znasz jego pełny stan i zmierzysz inny komponent, ale nie do tworzenia i przesyłania informacji z jednej części splątanego układu do drugiej. … Dlatego nie ma możliwości szybszej komunikacji niż światło.
Splątanie kwantowe to niesamowita właściwość, której możemy użyć do wielu różnych rzeczy, takich jak doskonały system szyfrowania informacji. Ale komunikacja jest szybsza niż światło? Aby zrozumieć, dlaczego nie jest to możliwe, musimy zrozumieć kluczową właściwość fizyki kwantowej: wymuszone zanurzenie przynajmniej części splątanego systemu w jeden stan uniemożliwia uzyskanie informacji o tym zagłębieniu poprzez pomiar pozostałej części układu. Jak zauważył kiedyś Niels Bohr, „jeśli mechanika kwantowa jeszcze cię nie zaszokowała, to jeszcze tego nie zrozumiałeś”.
Wszechświat cały czas gra z nami w kości, ku rozczarowaniu Einsteina. Nawet nasze najlepsze próby oszukiwania w tej grze wynikają z natury.