Viime kuussa tapahtui kaksi mielenkiintoista kehitystä kvanttiteknologian alalla kerralla: kiinalaiset tutkijat teleportoivat valon fotoneja maa-asemalta avaruussatelliittiin ja Moskovassa pidettiin vuosittainen konferenssi johtavista kvanttifysiikan asiantuntijoista. Business Insider onnistui saamaan kiinni tohtori Eugene Polzikin Niels Bohr -instituutista, joka on yksi kvantti teleportoinnin johtavista asiantuntijoista, ja kuulusteli häntä monista asioista, mukaan lukien kiinalaisten kollegoidensa erinomaisesta menestyksestä.
"Tällaisia teleportointeja on tehty laboratorio-olosuhteissa vuodesta 1997, mutta kiinalaiset tutkijat ovat onnistuneet saavuttamaan tämän hämmästyttävän teknisen vaikutuksen suurella etäisyydellä", Polzik sanoi.
Vuonna 2012 joukko eurooppalaisia tutkijoita teleporttoi onnistuneesti fotoneja Kanariansaarten välillä. Lähettävien ja vastaanottavien laitteiden välinen etäisyys oli 141 kilometriä. Kiinalaiset tutkijat onnistuivat voittamaan tämän ennätyksen heinäkuussa, kun he teleporttoivat fotoneja onnistuneesti 500 kilometrin etäisyydellä.
Olemme pitkään haaveillut tällaisesta tekniikasta Star Trekiltä, vaikka intuitiossamme on aina sanottu, että teleportointi on periaatteessa mahdotonta. Tosielämämme fysiikassa, jossa elämme joka päivä, ei kuitenkaan ole juurikaan yhtäläisyyksiä kvanttimaailman fysiikkaan. Täällä kallion pinnalta putoavan kiven ja hallitsevien elektronien ja yksittäisten valonfotonien lait ovat täysin erilaiset kuin olemme tottuneet näkemään. Siksi tällaisessa outossa maailmassa melkein kaikki on mahdollista, teleportointi mukaan lukien. Kuinka ymmärtää kaikki tämä? Aloitamme kvanttikiinnityksestä.
Mikä on kvanttisitoutuminen?
Joskus kaksi kvanttihiukkasia on kytketty peiliin. Mitä tapahtuu yhdelle näistä hiukkasista, sama tapahtuu toisille. Vaikka ne olisikin erotettu toisistaan suurilla etäisyyksillä. Ne ovat edelleen kaksi erillistä esinettä, mutta ne ovat identtisiä kaikessa. Kun kaksi hiukkasia jakavat tilansa keskenään, tällaisia hiukkasia kutsutaan sotkeutuneiksi.
"Oletetaan, että loin parin takertuneita fotoneja", Polzik selittää.
Mainosvideo:
”Pidän yhtä ja lähetän toisen laserilla kiertävälle avaruus satelliitille toivoen, että fotoni saavuttaa määränpäänsä. Teleportointia voidaan pitää onnistuneena vain, kun kahden fotonin sekaantumistila erotetaan lähetys- ja vastaanottoasemien välillä.
Teleportointiprosessin suurin tekninen vaikeus on fotonin siirtyminen tietylle etäisyydelle takertuneesta kumppanipartikkelista. Kiinalaisen kokeen tapauksessa yksi fotoni oli maapallon laboratoriossa, ja toinen lähetettiin onnistuneesti kiertoradalle. Muutokset, jotka ovat tapahtuneet maapallon fotonin kanssa osana tutkijoiden manipulaatioita, ovat vaikuttaneet myös fotoniin avaruudessa - tämä on kvantti teleportoituminen puhtaimmillaan.
Kuinka ymmärtää saiko satelliitti halutun fotonin eikä jotain satunnaista valopartikkelia?
Tämä on suhteellisen helppo tehdä spektrisuodatukseksi kutsutun prosessin ansiosta. Sen avulla tutkijat voivat tunnistaa ja seurata yksittäisiä valon fotoneja merkitsemällä ne yksilöllisellä tunnistenumerolla.
”Tiedät lähettämäsi fotonin taajuuden, tiedät sen suunnan. Satelliitti on suunnattu lähteelle, joka sijaitsee maan päällä. Jos sinulla on erittäin hyvät optiset laitteet molemmin puolin, niin tämä optiikka näkee vain lähteen eikä mitään muuta”, Polzik jatkaa.
Spektrisuodatusmenetelmä on välinpitämätön”kohinalle” muiden fotonien muodossa. Esimerkiksi samassa kokeessa Kanariansaarilla siirto suoritettiin kirkkaalla aurinkoisella taivaalla.
Satelliittiin siirrettiin miljoonia fotoneja, mutta vain 900 saapui määränpäähän
Mitä kauemmin yrität lähettää takertunutta fotonia, sitä vähemmän tehokas tämä prosessi tulee. Lisäksi maapallon ilmakehä on jatkuvassa liikkeessä, joten fotonien menettäminen matkalla avaruuteen on helppoa.
Vaikka ilmakehää ei olisikaan, sinun on silti keskitettävä valonsäde siten, että se on suunnattu satelliittia kohti. Jos loistat laserosoittimen kämmenellesi, valopiste on pieni, mutta jos vain poistat laserin, pisteestä tulee suurempi - tämä on diffraktiolaki”, Polzik sanoo.
Maasta alkaen valon on melko vaikea murtautua avaruuteen (kiertävälle satelliitille asennettuun optiseen vastaanottimeen). Se vääristää paljon, joten suurin osa fotoneista ei mene mihinkään.
”Onnistunut teleportointi voidaan saavuttaa vain hyvin lyhyessä ajassa. Yleisessä mielessä tämä on hyvin epäkäytännöllistä, mutta silti löytyy tapoja käyttää tätä tekniikkaa”, Polzik jatkaa.
Onko Quantum Teleportation välitön tiedonsiirto?
Ei oikeastaan. Teleportoitavat esineet eivät katoa ja ilmestyvät sitten uudestaan muualle. Tutkijat käyttävät sotkeutumista siirtääkseen tietoja yhden fotonin kvanttitilasta toiseen. Ilman näitä tietoja fotonin on fyysisesti katettava koko etäisyys lähettimen ja vastaanottimen välillä. Jälleen tietoja ei lähetetä välittömästi. Tämä on mahdollista vain, kun lähettäjä mittaa fotoninsa kvanttitilan muuttamalla siten fotonin tilaa vastaanottimessa. Kvanttisitoutumisen vuoksi olennaisesti yhdestä fotonista "tulee" toinen fotoni.
Joten mitä tämä kaikki on?
Kvantti-teleportointi pystyy osoittamaan ajatuksen mahdollisuudesta luoda erittäin turvallinen maailman viestintäverkko. Lukon avaavan avaimen tavoin kvanttiverkon kautta lähetetty viesti tavoittaa vain vastaanottajan, jolla on oikein kietoutunut fotoni, mikä sallii tämän viestin vastaanottamisen ja lukemisen.
Albert Einstein kutsui kerran kvanttisitoutumista”pelottavaksi pitkän kantaman toiminnaksi”, mutta tämä pitkän kantaman toiminta on perustekijä, joka saa kaiken toimimaan. Ja jonain päivänä hänestä voi tulla turvallisen viestinnän ajuri tulevaisuudessa.
Nikolay Khizhnyak