W zeszłym miesiącu miały miejsce jednocześnie dwa interesujące wydarzenia w dziedzinie technologii kwantowej: chińscy naukowcy teleportowali fotony światła ze stacji naziemnej do satelity kosmicznego, a w Moskwie odbyła się coroczna konferencja czołowych ekspertów fizyki kwantowej. Business Insider był w stanie uchwycić dr Eugene'a Polzika z Instytutu Nielsa Bohra, jednego z czołowych ekspertów w dziedzinie teleportacji kwantowej, i zadał mu pytania na różne pytania, w tym na wybitny sukces jego chińskich kolegów.
„Teleportacje tego rodzaju są przeprowadzane w warunkach laboratoryjnych od 1997 r., Ale chińskim naukowcom udało się osiągnąć ten niesamowity efekt technologiczny z dużej odległości” - powiedział Polzik.
W 2012 roku zespół europejskich naukowców z powodzeniem teleportował fotony między dwiema Wyspami Kanaryjskimi. Odległość między urządzeniami nadawczymi i odbiorczymi wynosiła 141 kilometrów. Chińskim naukowcom udało się pobić ten rekord w lipcu, kiedy z powodzeniem teleportowali fotony na odległość 500 kilometrów.
Od dawna marzyliśmy o takiej technologii ze Star Trek, chociaż nasza intuicja zawsze mówiła, że teleportacja jest w zasadzie niemożliwa. Jednak fizyka naszego prawdziwego świata, w którym żyjemy na co dzień, niewiele przypomina fizykę świata kwantowego. Tutaj prawa spadającego kamienia ze ściany klifu oraz rządzące elektronami i pojedynczymi fotonami światła są zupełnie inne od tego, do czego jesteśmy przyzwyczajeni. Dlatego w tak dziwacznym świecie możliwe jest prawie wszystko, łącznie z teleportacją. Jak to wszystko rozumieć? Zaczynamy od splątania kwantowego.
Co to jest splątanie kwantowe?
Czasami okazuje się, że dwie cząstki kwantowe są zwierciadlane. Cokolwiek stanie się z jedną z tych cząstek, to samo stanie się z drugą. Nawet jeśli dzielą je duże odległości. To wciąż dwa odrębne obiekty, ale we wszystkim są identyczne. Kiedy dwie cząstki dzielą ze sobą swój stan, wtedy takie cząstki nazywane są splątanymi.
„Załóżmy, że stworzyłem parę splątanych fotonów” - wyjaśnia Polzik.
Film promocyjny:
„Zatrzymuję jedną, a drugą wysyłam za pomocą lasera na orbitującego satelitę kosmicznego, mając nadzieję, że foton dotrze do celu. Teleportację można uznać za udaną tylko wtedy, gdy stan splątania dwóch fotonów jest oddzielony między stacją nadawczą i odbiorczą”.
Główną trudnością techniczną procesu teleportacji jest przeniesienie fotonu na pewną odległość od splątanej cząstki partnerskiej. W przypadku chińskiego eksperymentu jeden foton znajdował się w laboratorium na Ziemi, a drugi został pomyślnie wysłany na orbitującego satelitę. Zmiany, które zaszły z fotonem na Ziemi w ramach manipulacji naukowców, wpłynęły również na foton w kosmosie - jest to teleportacja kwantowa w jej najczystszej postaci.
Jak zrozumieć, czy satelita otrzymał pożądany foton, a nie jakąś przypadkową cząstkę światła?
Jest to stosunkowo łatwe dzięki procesowi zwanemu filtrowaniem widmowym. Umożliwia naukowcom identyfikację i śledzenie pojedynczych fotonów światła poprzez oznaczanie ich unikalnym numerem identyfikacyjnym.
„Znasz częstotliwość wysyłanego fotonu, znasz jego kierunkowość. Satelita jest wycelowany w źródło wysyłki znajdujące się na Ziemi. Jeśli masz bardzo dobry sprzęt optyczny po obu stronach, to ta optyka widzi tylko źródło i nic więcej”- kontynuuje Polzik.
Metoda filtracji widmowej jest obojętna na „szum” w postaci innych fotonów. Na przykład w tym samym eksperymencie na Wyspach Kanaryjskich transmisja została przeprowadzona przy czystym, słonecznym niebie.
Nastąpił transfer milionów fotonów do satelity, ale do celu dotarło tylko 900. Dlaczego?
Im dalej próbujesz wysłać splątany foton, tym mniej efektywny staje się ten proces. Ponadto atmosfera ziemska jest w ciągłym ruchu, więc utrata fotonów w drodze w kosmos jest łatwa.
„Nawet jeśli nie było atmosfery, nadal musisz skupić wiązkę światła tak, aby była skierowana w stronę satelity. Jeśli skierujesz wskaźnik laserowy na dłoń, punkt świetlny będzie mały, ale jeśli tylko usuniesz laser, punkt stanie się większy - takie jest prawo dyfrakcji”- mówi Polzik.
Z ziemi dość trudno jest przedostać się światła w kosmos (do odbiornika optycznego zainstalowanego na orbitującym satelicie). Bardzo się zniekształca, więc większość fotonów po prostu nigdzie nie dociera.
„Udaną teleportację można osiągnąć tylko w bardzo krótkim czasie. Generalnie jest to bardzo niepraktyczne, niemniej jednak można znaleźć sposoby wykorzystania tej technologii - kontynuuje Polzik.
Czy teleportacja kwantowa to możliwość natychmiastowego transferu?
Nie całkiem. Teleportowalne obiekty nie znikają, a następnie pojawiają się ponownie w innym miejscu. Naukowcy wykorzystują splątanie do przenoszenia informacji o stanie kwantowym jednego fotonu do drugiego. Bez tych informacji foton będzie musiał fizycznie pokonać całą odległość między nadajnikiem a odbiornikiem. Ponownie, informacje nie są przesyłane natychmiast. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy nadawca zmierzy stan kwantowy swojego fotonu, zmieniając tym samym stan fotonu w odbiorniku. Z powodu splątania kwantowego zasadniczo jeden foton „staje się” drugim fotonem.
Więc po co to wszystko?
Teleportacja kwantowa jest w stanie udowodnić koncepcję możliwości stworzenia ultra bezpiecznej światowej sieci komunikacyjnej. Podobnie jak klucz otwierający zamek, wiadomość przesłana siecią kwantową dotrze tylko do adresata, który posiada prawidłowo splątany foton, co pozwoli na odebranie i odczytanie tej wiadomości.
Albert Einstein nazwał kiedyś splątanie kwantowe „upiornym działaniem dalekiego zasięgu”, ale to działanie dalekosiężne jest podstawowym składnikiem, który sprawia, że wszystko działa. I pewnego dnia może stać się w przyszłości kierowcą naszej bezpiecznej komunikacji.
Nikolay Khizhnyak
