Viime kuussa miljardööri Juri Milner ja astrofysiikka Stephen Hawking ilmoittivat Breakthrough Starshot: uskomattoman kunnianhimoinen suunnitelma lähettää ensimmäinen ihmisen tekemä avaruusalusta toiseen tähtijärjestelmään galaksissamme. Jättiläinen laserryhmä voisi laukaista mikrosirun kokoisen laitteen toiseen tähtiin 20%: n valonopeudella. Mutta on epäselvää, kuinka tämä pieni laite pystyisi kommunikoimaan kanssamme valtavan tähtijen välisen tilan kautta. Entä kvantti takertuminen? Voidaanko sitä käyttää tällaiseen yhteyteen?
Tämä idea ansaitsee varmasti huomion.
Kuvittele kaksi kolikkoa, joista kukin voi tulla pään tai pyrstön päälle. Sinulla on yksi kolikko, minulla on toinen, ja olemme erittäin kaukana toisistaan. Heitämme kolikot ilmaan, pyydystämme ne ja lyömme niitä pöydälle. Ennen kuin katsot laskeutunutta palaa, odotamme 50/50 todennäköisyyttä nousta pyrstöihin ja tietysti myös päihin. Tavallisessa, takertumattomassa universumissa tuloksesi ja minun ovat riippumattomia toisistaan. Jos keksit pyrstöt, kolikollani on 50% mahdollisuus pudota päätä tai pyrstöjä. Mutta tietyissä olosuhteissa nämä tulokset voivat olla hämmentäviä: jos suoritat tämän kokeen ja saat hännät, tiedät, että kolikollani on 100% mahdollisuus näyttää päätä ennen kuin kerron. Tiedät siitä heti, vaikka meidät erottaisivat valovuodet eikä mikään sekunti ole kulunut.
Kvantfysiikassa me yleensä takertumme ei kolikoihin, vaan yksittäisiin hiukkasiin, kuten elektronit ja fotonit, joissa esimerkiksi jokaisella fotonilla voi olla spin +1 tai -1. Jos mittaat yhden fotonin spinin, tunnet heti toisen spinin, vaikka se olisi puoli universumin päässä meistä. Ennen kuin mittaat yhden fotonin spin, ne molemmat ovat epämääräisessä tilassa; mutta heti kun yksi on mitattu, tiedät heti siitä. Maapallolla suoritimme tällaisen kokeen, erottaen kaksi takertuneita fotoneja monilla kilometreillä ja mittaamalla niiden spinit nanosekunnin ajan. Kävi ilmi, että jos mitataan yhden spin ja se osoittautuu +1, huomaamme, että toisen -1 spin on 10 000 kertaa nopeampi kuin valon nopeus voisi sallia.
Ja tässä on kysymys: voisimmeko käyttää tätä ominaisuutta - kvantti-takertumista - kommunikoidaan etäisen tähtijärjestelmän kanssa? Vastaus: kyllä, jos pidämme mittauksen ottamista etäpaikasta viestinnän muotoksi. Mutta kun sanot yhdistä, haluat yleensä tietää jotain paikasta, johon olet yhteydessä. Voit esimerkiksi pitää takertuneen hiukkasen määrittelemättömässä tilassa, lähettää sen avaruusaluksen läheisyydessä olevaan tähtiin ja käskeä sen etsimään merkkejä kallioisista planeetoista kyseisen tähden asuttavalla alueella. Nähdessään yhden hän mittaa, mikä johtaa siihen, että hiukkasesi on tilassa +1, ja jos ei, niin mittaus osoittaa, että hiukkasesi on tilassa -1.
Mainosvideo:
Joten luulet, että hiukkasen pitäisi olla tilassa -1, kun mittaat sitä, mikä osoittaa, että avaruusalus on löytänyt planeetan asumisvyöhykkeellä tai tilassa +1, mikä osoittaa, että laitteella on planeetta ei löydetty. Jos tiedät, että mittaus on tehty, voit ottaa oman mittauksesi ja tietää heti toisen hiukkasen tilan, vaikka se olisikin monen valovuoden päässä.
Aaltokuvio kaksoisraon läpi kulkeville elektronille. Jos mitat, minkä raon elektroni kulkee, tuhoat kvanttihäiriökuvion.
Suunnitelma on hyvä. Mutta on ongelma: takertuminen toimii vain, jos kysyt hiukkaselta: missä tilassa olet? Jos sijoitat takertuneen hiukkasen tiettyyn tilaan, rikot takertumisen, ja mittaus maapallolla on täysin riippumaton etäisen tähden mittauksesta. Jos mittasit vain kaukaisen hiukkasen (ja selvitit: +1 tai -1), niin mittauksesi maapallolla on myös -1 tai +1 (vastaavasti) ja antaa sinulle tietoa hiukkasesta, joka sijaitsee valovuosien päässä sinusta. Jos upotat hiukkasen +1- tai -1-tilaan, niin tuloksesta riippumatta hiukkasellasi on 50% todennäköisyys +1 tai -1 eikä se sano mitään hiukkasesta monien valovuosien ajan.
Tämä on yksi kvantifysiikan väärin ymmärretyistä asioista: takertumista voidaan käyttää tiedon saamiseen järjestelmän komponentista, kun tiedät sen täyden tilan ja mittaa toisen komponentin (komponentit), mutta ei luoda ja siirtää tietoja takertuneen järjestelmän yhdestä osasta toiseen. … Siksi ei ole mahdollisuutta kommunikoida nopeammin kuin valo.
Kvanttien takertuminen on uskomaton ominaisuus, jota voimme käyttää moniin erilaisiin asioihin, kuten täydellinen tietojen salausjärjestelmä. Mutta kommunikointi on nopeampaa kuin valo? Ymmärtääksemme, miksi tämä ei ole mahdollista, meidän on ymmärrettävä kvanttifysiikan keskeinen ominaisuus: se, että ainakin osan takertuneesta järjestelmästä upottaminen pakotettuun tilaan estää sinua saamasta tietoa tästä syöstä mittaamalla loppujärjestelmää. Kuten Niels Bohr kerran huomautti, "jos kvanttimekaniikka ei ole vielä järkyttänyt sinua, et ole vielä ymmärtänyt sitä".
Universumi pelaa noppaa kanssamme koko ajan, paljon Einsteinin kurjuudelle. Jopa parhaammekin huijata yrityksemme tässä pelissä tuovat esiin luonto.