Kööpenhaminan Niels Bohr -instituutin fysiikan professori, yksi kvanttiteleportoinnin pioneereista, Eugene Polzik, selitti RIA Novostille, missä raja on "todellisen" ja "kvantti" -maailman välillä, miksi ihmistä ei voida siirtää ja kuinka hän onnistui luomaan aineen "negatiivisella massalla".
Viisi vuotta sitten hänen tiiminsä toteutti ensimmäisen kerran kokeilun yhden valon atomin tai hiukkasen, mutta makroskooppisen objektin teleportoimiseksi.
Hän vastasi äskettäin Venäjän Quantum Centerin (RQC) kansainvälisestä neuvottelukunnasta. Hän korvasi Mikhail Lukinin, joka on maailman suurimman kvantitietokoneen luoja ja maailman johtava kvanttilaskennan johtaja. Professori Polzikin mukaan hän keskittyy nuorten venäläisten tutkijoiden henkisen potentiaalin kehittämiseen ja toteuttamiseen sekä kansainvälisen osallistumisen vahvistamiseen RCC: n työhön.
”Eugene, pystyykö ihmiskunta koskaan siirtämään enemmän kuin yksittäisiä hiukkasia tai atomien tai muiden makroskooppisten esineiden kokoelman?
- Sinulla ei ole aavistustakaan kuinka usein minulta kysytään tätä - kiitos siitä, ettet kysynyt, onko mahdollista teleportoida henkilö. Hyvin yleisesti tilanne on seuraava.
Universumi on jättimäinen esine, joka on takertunut kvantitasolle. Ongelmana on, että emme pysty "näkemään" tämän esineen kaikkia vapausasteita. Jos otamme suuren esineen sellaiseen järjestelmään ja yritämme harkita sitä, niin tämän esineen vuorovaikutus muiden maailman osien kanssa johtaa siihen, mitä kutsutaan "sekatilaksi", jossa ei ole takertumista.
Niin kutsuttu monoamian periaate toimii kvantimaailmassa. Se ilmaistaan siinä, että jos meillä on kaksi ihanteellisesti takertuneita esineitä, niin molemmilla ei voi olla samoja vahvoja "näkymättömiä yhteyksiä" ympäröivän maailman muihin esineisiin kuin toisiinsa.
Eugene Polzik, Kööpenhaminan Niels Bohr -instituutin professori ja RCC: n kansainvälisen neuvottelukunnan päällikkö. Kuva: RCC.
Mainosvideo:
Palaavan kysymykseen kvantti-teleportaatiosta, tämä tarkoittaa, että periaatteessa mikään ei estä meitä sekoittamasta ja teleportoimasta ainakin koko maailmankaikkeuden kokoista objektia, mutta käytännössä se estää meitä näkemästä kaikkia näitä yhteyksiä samanaikaisesti. Siksi meidän on eristettävä makroobjektit muusta maailmasta suorittaessamme tällaisia kokeita ja annettava niiden olla vuorovaikutuksessa vain "tarvittavien" esineiden kanssa.
Esimerkiksi kokeissamme oli mahdollista tehdä tämä pilvessä, joka sisälsi biljoonaa atomia, johtuen siitä, että ne olivat tyhjiössä ja pidettiin erityisessä ansassa, joka eristi heidät ulkomaailmasta. Nämä kamerat muuten kehitettiin Venäjällä - Mihail Balabasin laboratoriossa Pietarin osavaltion yliopistossa.
Myöhemmin siirryimme kokeilemaan suurempia esineitä, jotka voidaan nähdä paljain silmin. Ja nyt teemme kokeilun dielektrisistä materiaaleista valmistettujen ohuiden kalvojen värähtelyjen teleportaatiosta, joiden mitat ovat millimetri millimetreinä.
Nyt toisaalta olen henkilökohtaisesti enemmän kiinnostunut muista kvanttifysiikan aloista, joilla minusta tuntuu todellisten läpimurtojen tapahtuneen lähitulevaisuudessa. He yllättävät kaikki.
Missä tarkalleen?
- Me kaikki tiedämme hyvin, että kvanttimekaniikka ei salli meidän tietää kaikkea mitä tapahtuu ympäröivään maailmaan. Heisenbergin epävarmuusperiaatteen vuoksi emme voi samanaikaisesti mitata kaikkien esineiden ominaisuuksia mahdollisimman suurella tarkkuudella. Ja tässä tapauksessa teleportaatiosta tulee työkalu, joka antaa meille mahdollisuuden ohittaa tämä rajoitus siirtämällä ei osittaisia tietoja kohteen tilasta, vaan koko objekti itse.
Samat kvantimaailman lait estävät meitä tarkasta mittaamasta atomien, elektronien ja muiden hiukkasten liikkeen etenemisrataa, koska on mahdollista selvittää joko niiden tarkka liikkeen nopeus tai sijainti. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kvanttimekaniikka rajoittaa tiukasti kaikenlaisten paine-, liike- ja kiihtyvyysanturien tarkkuutta.
Äskettäin tajusimme, että näin ei aina ole: kaikki riippuu siitä, mitä tarkoitamme "nopeudella" ja "asemalla". Esimerkiksi, jos tällaisten mittausten aikana käytämme ei klassisia koordinaattijärjestelmiä, vaan niiden kvanttien vastineita, nämä ongelmat katoavat.
Toisin sanoen, klassisessa järjestelmässä yritämme määrittää tietyn hiukkasen sijainti suhteessa karkeasti sanottuna pöytään, tuoliin tai muuhun viitepisteeseen. Kvanttikoordinaattijärjestelmässä nolla on toinen kvanttiobjekti, jonka kanssa meille kiinnostava järjestelmä on vuorovaikutuksessa.
Kävi ilmi, että kvanttimekaniikka antaa mahdollisuuden mitata molemmat parametrit - sekä liikkeen nopeus että suunta - äärettömän suurella tarkkuudella tietylle referenssipisteen ominaisuuksien yhdistelmälle. Mikä tämä yhdistelmä on? Atomipilvella, joka toimii kvanttikoordinaattijärjestelmän nollana, on oltava efektiivinen negatiivinen massa.
Itse asiassa näillä atomilla ei tietenkään ole "paino-ongelmia", mutta ne käyttäytyvät ikään kuin niiden massa olisi negatiivinen johtuen tosiasiasta, että ne sijaitsevat erityisellä tavalla toistensa suhteen ja ovat erityisen magneettikentän sisällä. Meidän tapauksessamme tämä johtaa siihen, että hiukkasen kiihtyvyys vähenee, mutta ei lisää sen energiaa, mikä on klassisen ydinfysiikan kannalta järjetöntä.
Tämä auttaa meitä pääsemään eroon hiukkasten sijainnin tai niiden liikkumisen nopeuden satunnaisista muutoksista, jotka tapahtuvat, kun mitataan niiden ominaisuuksia lasereilla tai muilla fotonilähteillä. Jos sijoitamme atomin pilven, jolla on "negatiivinen massa" tämän säteen polulle, niin se ensin on vuorovaikutuksessa heidän kanssaan, sitten se lentää tutkittavan kohteen läpi, nämä satunnaiset häiriöt poistavat toisiaan, ja pystymme mittaamaan kaikki parametrit äärettömän suurella tarkkuudella.
Kaikki tämä on kaukana teoriasta - muutama kuukausi sitten testasimme näitä ideoita jo kokeellisesti ja julkaisimme tuloksen Nature-lehdessä.
Onko tälle käytännöllisiä käyttötarkoituksia?
- Vuotta sitten sanoin jo Moskovassa puhuessaan, että vastaavaa kvanttivarmuuden "poistamisen" periaatetta voidaan käyttää parantamaan LIGO: n ja muiden gravitaation havaintoyksiköiden työn tarkkuutta.
Sitten se oli vain idea, mutta nyt se on alkanut muotoutua. Työskentelemme sen toteuttamisessa yhdessä kvanttimittausten pioneereiden ja LIGO-hankkeen osanottajan, RCC: n ja Moskovan valtion yliopiston professori Farid Khalilin kanssa.
Emme tietenkään puhu tällaisen järjestelmän asentamisesta itse ilmaisimeen - tämä on erittäin monimutkainen ja pitkä prosessi, ja itse LIGOlla on suunnitelmia, joihin emme yksinkertaisesti voi kiilautua. Toisaalta he ovat jo kiinnostuneita ideoistamme ja ovat valmiita kuuntelemaan meitä tarkemmin.
Joka tapauksessa sinun on ensin luotava sellaisen asennuksen toimiva prototyyppi, joka osoittaa, että voimme todella astua yli rajan mittaustarkkuudessa, jonka Heisenbergin epävarmuusperiaate ja muut kvantimaailman lait säätävät.
Suoritamme ensimmäiset tällaiset kokeet kymmenen metrin interferometrillä Hannoverissa, pienemmässä LIGO-kopiossa. Asennamme nyt kaikki tarvittavat komponentit tähän järjestelmään, mukaan lukien jalusta, valonlähteet ja atomipilvi. Jos onnistumme, olen varma, että amerikkalaiset kollegamme kuuntelevat meitä - ei ole vielä muita tapoja kiertää kvanttirajaa.
Aikovatko determinististen kvantiteorioiden puolustajat, jotka uskovat, että mahdollisuuksia ei ole kvantimaailmassa, pitävät tällaisia kokeita todisteena ideoidensa oikeellisuudesta?
- Ollakseni rehellinen, en tiedä mitä he ajattelevat asiasta. Ensi vuonna järjestämme Kööpenhaminassa konferenssin klassisen ja kvanttifysiikan ja niiden kaltaisten filosofisten kysymysten rajoista, ja he voivat osallistua, jos haluavat esitellä näkemyksensä tästä ongelmasta.
Olen itse kiinni klassisesta Kööpenhaminan kvantimekaniikan tulkinnasta ja myönnän, että aaltofunktioiden koko ei ole rajoitettu. Toistaiseksi emme näe merkkejä siitä, että sen säännöksiä rikotaan jossain tai ristiriidassa käytännön kanssa.
Venäjän kvanttikeskuksen kvanttioptiikan laboratorio. Kuva: RCC.
Viime vuosina fyysikot ovat suorittaneet lukemattomia Bellin epätasa-arvojen ja Einstein-Podolski-Rosen-paradoksin testejä, jotka sulkevat kokonaan pois mahdollisuuden, että esineiden käyttäytymistä kvantitasolla voidaan hallita joidenkin piilotettujen muuttujien tai muiden kanssa, jotka eivät kuulu klassisen kvanttiteorian piiriin.
Esimerkiksi muutama kuukausi sitten oli toinen koe, joka sulki kaikki mahdolliset "aukot" Bellin yhtälöihin, joita piilotettujen muuttujien teorian kannattajat käyttivät. Niels Bohrin ja Richard Feynmanin parafraasilla vain "pysyy kiinni ja kokeile": meille näyttää siltä, että meidän pitäisi kysyä itseltämme vain niitä kysymyksiä, joihin voidaan vastata kokeilujen avulla.
Jos palaamme takaisin kvantti-teleportaatioon - ottaen huomioon kuvailemasi ongelmat: löytyykö se kvantitietokoneisiin, tietoliikennesatelliiteihin ja muihin järjestelmiin?
- Olen varma, että kvantitekniikat tunkeutuvat yhä enemmän viestintäjärjestelmiin ja ne tulevat nopeasti päivittäiseen elämäämme. Kuinka tarkalleen ei ole vielä selvä - tietoa voidaan esimerkiksi siirtää sekä teleportaation että tavallisten kuituoptisten linjojen kautta kvanttiavainjakelujärjestelmien avulla.
Kvanttimuisti puolestaan uskon, että siitä tulee totta myös hetken kuluttua. Ainakin tarvitaan luomaan toistimet kvantisignaaleille ja järjestelmille. Toisaalta on vaikea ennustaa, miten ja milloin tämä toteutetaan.
Ennemmin tai myöhemmin kvanttiviestinnästä ei tule eksoottista, vaan jokapäiväistä asiaa, jota kaikki voivat käyttää. Tietysti emme todennäköisesti näe tätä prosessia, mutta sen työn tuloksilla, mukaan lukien turvalliset tiedonsiirtoverkot ja satelliittiviestintäjärjestelmät, on valtava rooli elämässämme.
Kuinka pitkälle kvantitekniikat tunkeutuvat muihin tieteen ja elämän aloihin, jotka eivät liity tietotekniikkaan tai fysiikkaan?
- Tämä on hyvä kysymys, johon on vielä vaikeampi vastata. Kun ensimmäiset transistorit ilmestyivät, monet tutkijat uskoivat löytävänsä käytön vain kuulolaitteissa. Näin tapahtui, vaikka nyt vain hyvin pieni osa puolijohdelaitteista käytetään tällä tavalla.
Siitä huolimatta minusta näyttää siltä, että kvantti läpimurto tapahtuu todellakin, mutta ei kaikkialla. Esimerkiksi kaikki välineet ja laitteet, jotka ovat vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa ja mittaavat jotenkin sen ominaisuuksia, saavuttavat väistämättä kvanttirajan, josta olemme jo keskustelleet. Ja tekniikkamme auttavat heitä ohittamaan tämän rajan tai ainakin minimoimaan häiriöt.
Lisäksi olemme jo ratkaisseet yhden näistä ongelmista käyttämällä samaa "negatiivisen massan" lähestymistapaa, parantaen kvantti-magneettikentän antureita. Tällaisilla laitteilla voidaan löytää hyvin erityisiä lääketieteellisiä sovelluksia - niitä voidaan käyttää sydämen ja aivojen toiminnan seuraamiseen, arvioimaan sydänkohtauksen mahdollisuuksia ja muita ongelmia.
Kollegani RCC: stä tekevät jotain vastaavaa. Nyt keskustelemme yhdessä saavutuksistamme, yritämme yhdistää lähestymistapojamme ja saada jotain mielenkiintoisempaa.