Teleportacija u kvantnom svijetu

Teleportacija u kvantnom svijetu

Znanstveni pristup teleportaciji razvio se tijekom posljednjih petnaest godina. Škakljiva je to tema koja je u konfliktu s mnogobrojnim stajalištima i neminovno dolazi do nekih ozbiljnih pitanja.

Prvo je standardno, ali teško filozofsko pitanje: kada točno kopiju možemo izjednačiti s originalom, ili je nazvati i smatrati originalom? Drugo je pitanje je li moguće, čak i u načelu, ispitati neki predmet i utvrditi njegov sastav s tolikom točnošću da možemo načiniti savršen nacrt prema kojem bi ga bilo moguće rekonstituirati.

U svemiru kojim vladaju zakoni klasične fizike, odgovor na drugo pitanje bio bi „da“. U načelu, atributi svake čestice koja čini neki predmet – identitet položaj, brzina svake čestice, itd. – mogu se izmjeriti s potpunom preciznošću, prebaciti na udaljenu lokaciju i upotrijebiti kao priručnik za rekonstituiranje predmeta. Učiniti to s predmetom koji se sastoji od više od nekoliko elementarnih čestica bilo bi nam apsolutno nemoguće, ali u klasičnom svemiru, prepreku bi predstavljala složenost procesa, a ne fizika.

U svemiru kojim vladaju zakoni kvantne fizike – u našem svemiru – situacija je daleko složenija. Doznali smo da čin mjerenja navodi jedan od tisuća potencijalnih atributa predmeta da izleti iz kvantne izmaglice i dobije definitivnu vrijednost. Primjerice, kad opažamo česticu, definitivna obilježja koja vidimo općenito ne odražavaju maglovitu kvantnu mješavinu atributa koju smo promatrali trenutak prije.

Da bismo kopirali, moramo opažati, kako bismo znali što kopirati. No, čin opažanja uzrokuje promjenu, tako da, ako kopiramo ono što vidimo, nećemo kopirati ono što je bilo tu prije no što smo pogledali. To upućuje na zaključak da je teleportacija u kvantnom svemiru neostvariva, ne samo zbog praktičnih ograničenja koja su rezultat složenosti, nego i zbog fundamentalnih ograničenja svojstvenih kvantnoj fizici. Ipak, kao  što ćemo vidjeti u kasnije, početkom 1990-ih međunarodni tim fizičara pronašao je genijalan način da zaobiđe taj zaključak.

Što se tiče prvog pitanja, povezanog s odnosom kopije i originala, kvantna fizika daje odgovor koji je i precizan i poticajan. Prema kvantnoj mehanici, svaki elektron u svemiru je identičan svakom drugom elektronu, u smislu da imaju identičnu masu, identičan električni naboj, identična svojstva slabe i jake nuklearne sile, i identičan ukupan spin. Štoviše, naši pomno testirani kvantno-mehanički opisi govore da su to svi atributi koje jedan elektron može posjedovati; svi su elektroni identični u odnosu na ta svojstva i nema drugih svojstava koja bi trebalo razmatrati.

U istom smislu, svaki gornji kvark je isti kao i svaki drugi, svaki donji kvark je isti kao i svaki drugi, svaki foton je isti kao i svaki drugi, i tako dalje – to vrijedi za sve vrste čestica. Kao što su kvantni istraživači shvatili prije mnogo desetljeća, čestice je moguće smatrati najmanjim mogućim elementima polja (npr. fotoni su najmanji elementi elektromagnetskog polja), a kvantna fizika pokazuje da su ti najmanji elementi istog polja uvijek identični. (Ili, u okviru teorije struna, čestice iste vrste imaju ista svojstva zato što su one identične vibracije jedne jedine vrste struna.)

Ono što se pak može razlikovati između dvije čestice iste vrste jest vjerojatnost da su locirane na različitim položajima, vjerojatnost da im je spin usmjeren u različitim smjerovima i vjerojatnost da ih obilježavaju različite brzine i energetski naboji, ili kao što su fizičari rekli na jezgrovitiji način, dvije čestice mogu se nalaziti u različitim kvantnim stanjima.

No, ako se dvije čestice iste vrste nalaze u istom kvantnom stanju-osim što, možda, postoji velika vjerojatnost da se jedna čestica nalazi ovdje, a druga ondje – zakoni kvantne mehanike jamče da ih je potpuno nemoguće razlikovati, ne samo u praksi, nego i u načelu. One savršeni blizanci. Ako bi netko zamijenio položaje čestica (točnije, zamijenio mogućnosti da se čestice nalaze na određenom položaju), bilo bi ih apsolutno nemoguće razlikovati.

Stoga, ako zamislimo da počinjemo s česticom koja se nalazi  u nekom položaju i nekako dovedemo drugu česticu iste vrste u identično kvantno stanje (uz iste vjerojatnosti za smjer spina, energiju i tako dalje) na neku udaljenu lokaciju, česticu koja bi bila rezultat toga bilo bi nemoguće razlikovati od originala i proces bi se s pravom nazvao „kvantna teleportacija“.

Naravno, kad bi originalna čestica preživjela proces netaknuta, mogli biste doći u iskušenje da taj proces nazovete kvantno kloniranje. No, kao što ćemo vidjeti, znanstveno ostvarenje tih ideja ne može očuvati originalnu česticu – ona se neizbježno mora modificirati tijekom procesa teleportacije – pa se nećemo susresti s tom dilemom.

No, važnije pitanje, koje su filozofi detaljno razmatrali u raznim oblicima, jest sljedeće: hoće li ono što vrijedi za pojedinu česticu vrijediti i za skup čestica. Kad biste bili ti stanju teleportirati s jedne lokacije na drugu svaku česticu, i postići da pritom kvantno stanje svake od njih, uključujući i vezu s drugima, bude reproducirano sa 100-postotnom točnošću, bi li vam uspjelo teleportirati taj predmet?

Iako nemamo empirijskih podataka za kojima bismo se mogli voditi, teorijska razmatranja koja podržavaju mogućnost teleportiranja vrlo su uvjerljiva. Atomski i molekularni raspored određuje izgled, zvuk, miris, teksturu, pa cak i okus nekog predmeta, pa bi predmet morao biti identično originalnom. Pitanje je li vozilo original, ili je identični duplikat, zapravo i nije važno. Kad biste, primjerice, od neke tvrtke zatražili da transportira brodom vaš automobil, i kad bi ga oni bez vašeg znanja teleportirali na gore opisani način, nikada ne biste otkrili razliku – čak ni načelno.

Naravno, situacija s teleportacijom živih bića postavila bi nova dodatna pitanja, ali sa trenutnom tehnologijom ne trebamo ni razmišljati o takvim scenarijima. Za sada, znanstvenici su uspjeli treleportirati pojedine čestice! Pogledajmo kako.

Teleportacija čestice

Godine 1997, dvije skupine fizičara – jedna predvođena Antonom Zeilingerom, koji je tada radio na Sveučilištu u Innsbrucku, i druga predvođena A. Francescom De Martinijem sa Sveučilišta u Rimu, provele su prvu uspješnu teleportaciju jednog fotona. U oba eksperimenta, početni foton u određenom kvantnom stanju teleportiran je na kratku udaljenost na drugu stranu laboratorija.

Obje skupine koristile su tehnike zasnovane na teorijskim uvidima do kojih je 1993. došao tim fizičara – Charles Bennett iz IBM-ovog istraživačkog centra Watson, Gilles Brassard, Claude Crepeau i Richard Josza sa Sveučilišta u Montrealu, izraelski fizičar Asher Peres i William Wootters s koledža Williams – a koji se temelje na kvantnom prepletanju.

Dvije isprepletene čestice, recimo dva fotona, u čudnoj su, bliskoj vezi. Iako obje čestice imaju samo određenu vjerojatnost da će se rotirati u jednu ili drugu stranu, i premda svaka od tih čestica tijekom mjerenja nasumice „bira” između raznih mogućnosti, koji god „izbor” jedna od njih načinila, druga istog trena donosi isti „izbor” bez obzira na prostomu udaljenost.

Isprepletene čestice ne možemo upotrijebiti kako bi se poruka poslala s jedne lokacije na drugu brzinom većom od brzine svjetlosti. Ako bi se niz isprepletenih fotona mjerilo na međusobno udaljenim lokacijama podaci prikupljeni na svakom detektoru bili bi nasumični nizovi rezultata (pri čemu je ukupna frekvencija spina u jednom i drugom smjeru konzistentna s valovima vjerojatnosti čestica).

Prepletenost bi postala vidljiva samo usporedbom dva popisa rezultata, kad bismo ustanovili da su rezultati identični. No, za tu usporedbu potrebna je neka uobičajena komunikacija sporija od brzine svjetlosti. Budući da prije usporedbe ne bi bilo moguće detektirati nikakav trag prepletanja, ne bi bilo moguće poslati signal brži od svjetlosti.

Ipak, iako se prepletanje ne može koristiti za komunikaciju bržu od svjetlosti, ne možemo se oteti dojmu da su te daljinske povezanosti među česticama toliko bizarne da jamačno mogu dobiti nekakvu neobičnu namjenu. Godine 1993. Bennett i njegovi suradnici otkrili su jednu takvu mogućnost. Dokazali su da se kvantno prepletanje može upotrijebiti za kvantnu teleportaciju. Možda ne možemo poslati poruku brzinom većom od brzine svjetlosti, ili ako se možete zadovoljiti teleportacijom čestice s jednog mjesta na drugo podsvjetlosnom brzinom, onda je rješenje upravo prepletanje.

Jasno, razvojem tehnologije došlo je do znatno dužih i složenijih teleportacija. Već spomenuti Anton Zeilinger je 2012. sa svojim kolegama s Instituta za kvantnu optiku i kvantne informacije u Beču uspješno teleportirao foton na udaljenost od 143 kilometra između Kanarskih otoka (La Palma) i Tenerifa.

Nedugo nakon Zeilingera, kineski fizičari sa Sveučilišta u Shanghaiu predvođeni Juan Yinom uspjeli su teleportirati foton na udaljenost od 97 km, što bi u skoroj budućnosti trebalo omogućiti stvaranje sigurne globalne komunikacijske mreže.

Izvori/dodatno čitanje:

Brian Greene, Tkivo svemira, Jesenski i Turk, 2006.

Dan Nosowitz, Chinese Physicists Teleport Photons Over 100 Kilometers, Popular Science, 2012.

Anton Zeilinger i ostali, Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward, Nature, 2012.

Mihai Andrei, Physicists quantum teleport photons over 143 kilometers, ZME Science, 2012.

Kevin Bonsor, How Teleportation Will Work, How stuff works?, 2013.