Znanstveniki aktivno eksperimentirajo s kvantno teleportacijo

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Za junake znanstvenofantastičnih filmov je teleportacija običajna stvar. En pritisk na gumb - in se raztopijo v zraku, tako da se v nekaj sekundah znajdejo na stotine in tisoče kilometrov stran: v drugi državi ali celo na drugem planetu.

Je takšno gibanje res možno ali bo teleportacija za vedno ostala sanje pisateljev in scenaristov? Ali se na tem področju izvajajo kakšne raziskave – in ali smo še malo bližje implementaciji tehnologije, ki je tako znana junakom fantastičnih akcijskih filmov?

Kratek odgovor na to vprašanje je pritrdilen, eksperimenti potekajo in zelo aktivno. Poleg tega znanstveniki v znanstvenih revijah redno objavljajo članke o uspešnih poskusih kvantne teleportacije – na vedno večje razdalje.

In čeprav mnogi znani fiziki dvomijo, da nam bo kdaj uspelo teleportirati ljudi, so nekateri strokovnjaki veliko bolj optimistični in zagotavljajo, da bodo teleporti v nekaj desetletjih postali resničnost.

To gradivo je bilo pripravljeno kot odgovor na enega odraziskovalna vprašanja poslali naši bralci.

Laži, govorice in zgodbe

Najprej pojasnimo, o čem točno govorimo. S teleportacijo mislimo na takojšnje premikanje predmetov na poljubni razdalji, idealno hitreje od svetlobne hitrosti.

Samo besedo je leta 1931 izumil ameriški publicist Charles Fort, ki je rad raziskoval paranormalno. Po analogiji s "televizijo", ki izhaja iz grškega τῆλε ("daleč") in latinskega video ("videti"), je v svoji knjigi "Vulkani nebes" izumil izraz za opis nerazložljivega gibanja predmetov v vesolju (Latinsko porto pomeni "nositi") …

"V tej knjigi gledam predvsem na dokaze, da obstaja nekakšna sila prenosa, ki ji pravim teleportacija. Obtožen bom, da združujem odkrite laži, govorice, basni, potegavščine in vraževerja. Na nek način tako mislim. sam. In v nekem smislu ne. Samo zagotavljam podatke, "piše Fort.

O takšnih premikih je res veliko mitov - na primer razširjena legenda o poskusu v Filadelfiji iz leta 1943, med katerim naj bi bil ameriški rušilec Eldridge teleportiran 320 km.

Isti uničevalec, ki naj bi se premikal v vesolju

Vendar se v praksi vse takšne zgodbe izkažejo za nič drugega kot špekulacije teoretikov zarote, po katerih oblasti vse dokaze o primerih teleportacije skrivajo pred širšo javnostjo kot vojaško skrivnost.

Pravzaprav je ravno nasprotno: o kakršnih koli dosežkih na tem področju se veliko razpravlja v znanstveni skupnosti. Ameriški znanstveniki so na primer pred tednom dni govorili o novem uspešnem poskusu kvantne teleportacije.

Pojdimo od urbanih legend in fantastične literature k strogi znanosti.

Od točke A do točke B …

Zgodba o resnični, ne izmišljeni teleportaciji se je začela leta 1993, ko je ameriški fizik Charles Bennett matematično – z uporabo formul – dokazal teoretično možnost trenutnih kvantnih premikov.

Seveda so bili to čisto teoretični izračuni: abstraktne enačbe, ki nimajo praktične uporabe. Vendar so bile na enak način - matematično - na primer že odkrite črne luknje, gravitacijski valovi in drugi pojavi, katerih obstoj je bil eksperimentalno potrjen veliko kasneje.

Tako so Bennettovi izračuni postali prava senzacija. Znanstveniki so začeli aktivno izvajati raziskave v tej smeri - in prvi uspešen poskus kvantne teleportacije je bil izveden v nekaj letih.

Pri tem je treba poudariti, da govorimo o kvantni teleportaciji, to pa ni povsem isto, kar smo vajeni gledati v znanstvenofantastičnih filmih. Z enega kraja na drugega se ne prenaša sam materialni predmet (na primer foton ali atom - navsezadnje je vse sestavljeno iz atomov), ampak informacije o njegovem kvantnem stanju. Vendar je v teoriji to dovolj za "obnovitev" prvotnega predmeta na novi lokaciji, ko prejmete njegovo natančno kopijo. Poleg tega se tovrstni poskusi že uspešno izvajajo v laboratorijih – a več o tem v nadaljevanju.

V svetu, ki smo ga navajeni, je to tehnologijo najlažje primerjati s kopirnim strojem ali faksom: ne pošljete dokumenta samega, temveč podatke o njem v elektronski obliki - a posledično ima prejemnik natančno kopijo. Z bistveno razliko, da se v primeru teleportacije poslani materialni objekt sam uniči, torej izgine – in ostane le kopija.

Poskusimo ugotoviti, kako se to zgodi.

Ali Bog igra kocke?

Ste že slišali za Schrödingerjevo mačko – tisto, ki sedi v škatli ne živa ne mrtva? To izvirno metaforo je izumil avstrijski fizik Erwin Schrödinger, da bi opisal skrivnostno lastnost elementarnih delcev – superpozicijo. Dejstvo je, da so kvantni delci lahko hkrati v več stanjih naenkrat, kar smo v svetu vajeni, da se med seboj popolnoma izključujejo. Na primer, elektron se ne vrti okoli jedra atoma, kot smo včasih mislili, ampak se nahaja hkrati na vseh točkah orbite (z različnimi verjetnostmi).

Dokler nismo odprli mačje škatle, torej nismo merili lastnosti delca (v našem primeru nismo določili natančne lokacije elektrona), mačka, ki tam sedi, ni le živa ali mrtva – je oboje živ in mrtev hkrati. Ko pa je škatla odprta, torej meritev je opravljena, je delec v enem od možnih stanj – in se ne spremeni več. Naša mačka je živa ali mrtva.

Če ste na tej točki popolnoma prenehali razumeti karkoli - ne skrbite, tega nihče ne razume. Narave kvantne mehanike že več desetletij ne razlagajo najbolj briljantni fiziki na svetu

Fenomen kvantne zapletenosti se uporablja za teleportacijo. To je takrat, ko imata dva elementarna delca enak izvor in sta v medsebojno odvisnem stanju – z drugimi besedami, med njima obstaja neka nerazložljiva povezava. Zaradi tega lahko zapleteni delci "komunicirajo" med seboj, tudi če so drug od drugega na veliki razdalji. In ko poznaš stanje enega delca, lahko z absolutno gotovostjo predvidiš stanje drugega.

Albert Einstein se je dolga leta o nerazložljivem fenomenu zapletenih delcev prepiral z enim od ustanoviteljev kvantne teorije, Nielsom Bohrom (levo). Med enim od takih sporov je Einstein izrekel svoj znameniti stavek "Bog ne igra kock", na kar je prejel odgovor od Bohra: "Albert, ne povej Bogu, kaj naj naredi!"

Predstavljajte si, da imate dve kocki vedno seštejte do sedem … Stresel si jih v kozarec in eno kost vrgel za hrbet, drugo pa predse ter jo zakril z dlanjo. Ko ste dvignili roko, ste videli, da ste vrgli, recimo, šestico - in zdaj lahko samozavestno trdite, da je druga kost za vašim hrbtom izpadla ena navzgor. Konec koncev mora biti vsota dveh števil enaka sedmim.

Sliši se neverjetno, kajne? S kockami, ki smo jih vajeni, takšno število ne bo delovalo, a zapleteni delci se obnašajo natanko tako – in samo tako, čeprav tudi narava tega pojava kljubuje razlagi.

"To je najbolj neverjeten pojav kvantne mehanike, nemogoče ga je niti razumeti," pravi profesor MIT Walter Levin, eden najbolj cenjenih fizikov na svetu. Pasovi! Vse, kar lahko rečemo, je, da očitno tako deluje naš svet."

Vendar to sploh ne pomeni, da tega skrivnostnega pojava ni mogoče uporabiti v praksi - navsezadnje ga večkrat potrjujejo tako formule kot eksperimenti.

Simbol kvantne zapletenosti

Praktična teleportacija

Praktični poskusi s teleportacijo so se začeli pred približno 10 leti na Kanarskih otokih pod vodstvom avstrijskega fizika, profesorja na dunajski univerzi Antona Zeilingerja.

V laboratoriju na otoku Palma znanstveniki ustvarijo par zapletenih fotonov (A in B), nato pa enega od njih z laserskim žarkom pošljejo v drug laboratorij, ki se nahaja na sosednjem otoku Tenerife, oddaljenem 144 km. Poleg tega sta oba delca v superpoziciji – torej še nismo »odprli mačje škatle«.

Nato se tretji foton (C) poveže z ohišjem – tistim, ki ga je treba teleportirati – in ga naredijo v interakciji z enim od zapletenih delcev. Nato fiziki izmerijo parametre te interakcije (A + C) in dobljeno vrednost posredujejo v laboratorij na Tenerife, kjer se nahaja drugi zapleten foton (B).

Nerazložljiva povezava med A in B bo omogočila, da se B spremeni v natančno kopijo delca C (A + C-B) - kot da bi se v trenutku premaknil z enega otoka na drugega, ne da bi prečkal ocean. To pomeni, da se je teleportirala.

Anton Zeilinger nadzoruje praktično teleportacijo

"Izvlečemo informacije, ki jih izvirnik nosi - in ustvarimo nov izvirnik drugje," pojasnjuje Zeilinger, ki je na ta način že teleportiral na tisoče in tisoče elementarnih delcev.

Ali to pomeni, da bodo znanstveniki v prihodnosti lahko na ta način teleportirali kakršne koli predmete in celo ljudi – navsezadnje smo tudi mi sestavljeni iz takšnih delcev?

V teoriji je to zelo možno. Samo ustvariti morate zadostno število zapletenih parov in jih prenesti na različna mesta ter jih postaviti v "teleportacijske kabine" - recimo v Londonu in Moskvi. Vstopite v tretjo kabino, ki deluje kot skener: računalnik analizira kvantno stanje vaših delcev, jih primerja z zapletenimi in te podatke pošlje v drugo mesto. In tam se zgodi nasprotni proces - in vaša natančna kopija je poustvarjena iz zapletenih delcev.

Temeljna vprašanja rešena

V praksi so stvari nekoliko bolj zapletene. Dejstvo je, da je v našem telesu približno 7 oktiljonov atomov (po sedmih je 27 ničel, torej sedem milijard milijard milijard) - to je več kot zvezde v opazovanem delu vesolja.

In navsezadnje je treba analizirati in opisati ne le vsak posamezni delček, ampak tudi vse povezave med njimi - navsezadnje jih je treba na novem mestu zbrati v idealno pravilnem vrstnem redu.

Skoraj nemogoče je zbrati in posredovati takšno količino informacij - vsaj na trenutni ravni razvoja tehnologije. Kdaj se bodo pojavili računalniki, ki bodo sposobni obdelati takšne količine podatkov, ni znano. Zdaj pa v vsakem primeru potekajo dela za povečanje razdalje med laboratoriji in ne števila teleportabilnih delcev.

Zato mnogi znanstveniki menijo, da so sanje o teleportaciji ljudi težko uresničljive. Čeprav je denimo profesor na New York City College in znani popularizator znanosti Michio Kaku prepričan, da bo teleportacija postala realnost do konca 21. stoletja – in morda celo 50 let pozneje. Ne da bi navedli konkretne datume, se nekateri drugi strokovnjaki na splošno strinjajo z njim.

"To je vprašanje izboljšanja tehnologije, izboljšanja kakovosti. Vendar bi rekel, da so bila temeljna vprašanja rešena - in nadaljnje popolnosti ni meja," pravi Eugene Polzik, profesor na Inštitutu Niels Bohr na univerzi v Kopenhagnu.

Vendar pa se na poti poraja še veliko drugih vprašanj. Bo na primer »moja kopija«, pridobljena kot posledica takšne teleportacije, pravi jaz? Ali bo razmišljala na enak način, bo imela enake spomine? Konec koncev, kot smo že omenili, je izvirnik poslanega predmeta uničen zaradi kvantne analize.

"Za kvantno teleportacijo je uničenje teleportabilnega objekta v procesu absolutno potrebno in neizogibno," potrjuje Edward Farhi, ki je od leta 2004 do 2016 vodil Center za teoretično fiziko na MIT in zdaj dela pri Googlu. "Mislim, da bi preprosto spremeniti v kup nevtronov, protonov in elektronov. Ne bi izgledali najbolje."

Po drugi strani pa nas s čisto materialističnega vidika ne določajo delci, iz katerih smo narejeni, temveč njihovo stanje – in ta podatek, pravijo znanstveniki, se prenaša izjemno natančno.

Rad bi verjel, da je temu tako. In da se sanje človeštva o teleportaciji ne bodo uresničile v slavni grozljivki, kjer glavni lik ni opazil, kako je muha pomotoma priletela v njegovo teleportacijsko kabino …