Profesor fyziky na Niels Bohr Institute v Kodani, jeden z průkopníků kvantové teleportace, Eugene Polzik, vysvětlil RIA Novosti, kde je hranice mezi „skutečným“a „kvantovým“světem, proč člověk nemůže být teleportován a jak se mu podařilo vytvořit hmotu s „negativní masou“.
Před pěti lety jeho tým poprvé provedl experiment, který teleportoval ne jediný atom nebo částice světla, ale makroskopický objekt.
Nedávno předsedal mezinárodní poradní radě ruského kvantového centra (RQC) a nahradil Michail Lukina, tvůrce jednoho z největších kvantových počítačů na světě a světového lídra v oblasti kvantového zpracování dat. Podle profesora Polzika se zaměří na rozvoj a realizaci intelektuálního potenciálu mladých ruských vědců a posílení mezinárodní účasti na práci RCC.
Eugene, bude někdy lidstvo schopno teleportovat více než jednotlivé částice nebo soubor atomů nebo jiných makroskopických objektů?
- Nemáš ponětí, jak často se na tuto otázku ptám - děkuji, že jsi se mě nezeptal, zda je možné teleportovat osobu. Obecně je situace následující.
Vesmír je obrovský objekt, zapletený na kvantové úrovni. Problém je v tom, že nejsme schopni „vidět“všechny stupně svobody tohoto objektu. Pokud vezmeme v takovém systému velký objekt a pokusíme se jej zvážit, pak interakce tohoto objektu s jinými částmi světa povedou k tomu, co se nazývá „smíšený stav“, ve kterém není žádné zapletení.
V kvantovém světě funguje tzv. Princip monogamie. Vyjadřuje se skutečnost, že pokud máme dva ideálně zamotané objekty, pak oba nemohou mít tak silné „neviditelné spojení“s jakýmkoli jiným objektem okolního světa, jako s sebou.
Eugene Polzik, profesor Niels Bohr Institute v Kodani a vedoucí mezinárodní poradní rady RCC. Fotografie: RCC.
Propagační video:
Pokud se vrátíme k otázce kvantové teleportace, znamená to, že nám v zásadě nic nebrání zmást a teleportovat objekt o velikosti alespoň celého vesmíru, ale v praxi nám to zabrání vidět všechna tato spojení současně. Proto musíme při provádění takových experimentů izolovat makro objekty od zbytku světa a umožnit jim interagovat pouze s „nezbytnými“objekty.
Například v našich experimentech to bylo možné dosáhnout pro cloud obsahující bilionové atomy, protože byly ve vakuu a držely se ve speciální pasti, která je izolovala od vnějšího světa. Tyto kamery byly mimochodem vyvinuty v Rusku - v laboratoři Michaile Balabase na St Petersburgské státní univerzitě.
Později jsme přistoupili k experimentům na větších objektech, které lze vidět pouhým okem. A nyní provádíme experiment na teleportaci vibrací vznikajících v tenkých membránách vyrobených z dielektrických materiálů měřících milimetr po milimetru.
Na druhé straně se osobně více zajímám o další oblasti kvantové fyziky, ve kterých, jak se mi zdá, se v blízké budoucnosti uskuteční skutečné průlomy. Určitě každého překvapí.
Kde přesně?
- Všichni dobře víme, že kvantová mechanika nám neumožňuje vědět vše, co se děje ve světě kolem nás. Díky Heisenbergově principu nejistoty nemůžeme současně měřit všechny vlastnosti objektů s nejvyšší možnou přesností. A v tomto případě se teleportace změní na nástroj, který nám umožňuje obejít toto omezení a přenášet ne částečné informace o stavu objektu, ale celý objekt samotný.
Stejné zákony kvantového světa nám brání v přesném měření trajektorie pohybu atomů, elektronů a dalších částic, protože je možné zjistit buď přesnou rychlost jejich pohybu nebo jejich polohu. V praxi to znamená, že přesnost všech druhů senzorů tlaku, pohybu a zrychlení je přísně omezena kvantovou mechanikou.
Nedávno jsme si uvědomili, že tomu tak není vždy: vše záleží na tom, co máme na mysli pod pojmem „rychlost“a „poloha“. Pokud například při takových měřeních nepoužíváme klasické souřadnicové systémy, ale jejich kvantové protějšky, tyto problémy zmizí.
Jinými slovy, v klasickém systému se snažíme určit polohu konkrétní částice vzhledem k, zhruba řečeno, stolu, židli nebo nějakému jinému referenčnímu bodu. V kvantovém souřadném systému bude nula dalším kvantovým objektem, se kterým systém zájmu nás interaguje.
Ukázalo se, že kvantová mechanika umožňuje měřit oba parametry - rychlost pohybu i trajektorii - s nekonečně vysokou přesností pro určitou kombinaci vlastností referenčního bodu. Co je tato kombinace? Mrak atomů sloužící jako nula kvantového souřadného systému musí mít efektivní zápornou hmotnost.
Ve skutečnosti tyto atomy samozřejmě nemají „problémy s hmotností“, ale chovají se, jako by měly zápornou hmotnost, a to díky skutečnosti, že jsou umístěny zvláštním způsobem vůči sobě a byly uvnitř zvláštního magnetického pole. V našem případě to vede ke skutečnosti, že zrychlení částice klesá, ale nezvyšuje jeho energii, což je z pohledu klasické jaderné fyziky absurdní.
To nám pomáhá zbavit se náhodných změn polohy částic nebo jejich rychlosti pohybu, ke kterým dochází, když změříme jejich vlastnosti pomocí laserů nebo jiných zdrojů fotonů. Pokud do cesty tohoto paprsku umístíme oblak atomů s „negativní hmotou“, bude s nimi nejprve interagovat, pak proletí zkoumaným objektem, tyto náhodné poruchy se vzájemně eliminují a budeme moci měřit všechny parametry s neomezenou vysokou přesností.
To vše není z velké části teorie - před několika měsíci jsme tyto myšlenky experimentálně testovali a výsledek jsme zveřejnili v časopise Nature.
Existují pro to nějaká praktická použití?
- Před rokem jsem již v Moskvě řekl, že podobný princip „odstranění“kvantové nejistoty lze použít ke zlepšení přesnosti práce LIGO a dalších gravitačních observatoří.
Pak to byl jen nápad, ale teď se začal formovat. Na jeho realizaci pracujeme společně s jedním z průkopníků kvantových měření a účastníkem projektu LIGO, profesora Farida Khaliliho z RCC a Moskevské státní univerzity.
Samozřejmě nemluvíme o instalaci takového systému na samotný detektor - je to velmi komplikovaný a časově náročný proces a samotný LIGO má plány, do kterých se prostě nemůžeme dostat. Na druhou stranu se již o naše nápady zajímají a jsou připraveni nás dále poslouchat.
V každém případě musíte nejprve vytvořit funkční prototyp takové instalace, který ukáže, že můžeme skutečně překročit hranice v přesnosti měření stanovené Heisenbergovým principem nejistoty a dalšími zákony kvantového světa.
První experimenty tohoto druhu provedeme na desetimetrovém interferometru v Hannoveru, menší kopii LIGO. Nyní sestavujeme všechny potřebné komponenty pro tento systém, včetně stojanu, světelných zdrojů a oblaku atomů. Pokud se nám to podaří, pak jsem si jist, že nás naši američtí kolegové poslouchají - zatím neexistují žádné jiné způsoby, jak se překročit kvantový limit.
Budou zastánci deterministických kvantových teorií, kteří se domnívají, že v kvantovém světě neexistují šance, považovat takové experimenty za důkaz správnosti jejich myšlenek?
- Abych byl upřímný, nevím, co si o tom myslí. Příští rok pořádáme v Kodani konferenci o hranicích mezi klasickou a kvantovou fyzikou a podobnými filosofickými problémy a mohou se zúčastnit, pokud chtějí představit svou vizi tohoto problému.
Já sám se držím klasické kodaňské interpretace kvantové mechaniky a přiznávám, že vlnové funkce nejsou omezeny co do velikosti. Zatím nevidíme žádné známky toho, že by jeho ustanovení byla porušována někde nebo v rozporu s praxí.
Laboratoř kvantové optiky v ruském kvantovém centru. Fotografie: RCC.
V posledních letech fyzici provedli nespočet testů Bellových nerovností a Einsteinova-Podolského-Rosenova paradoxu, což zcela vylučuje možnost, že skryté proměnné nebo jiné věci mimo rozsah klasické kvantové teorie mohou řídit chování objektů na kvantové úrovni.
Například před několika měsíci došlo k dalšímu experimentu, který uzavřel všechny možné „díry“v Bellových rovnicích používaných zastánci teorie skrytých proměnných. Můžeme pouze parafrázovat Nielse Bohra a Richarda Feynmana: „drž hubu a experimentuj“: zdá se mi, že bychom si měli klást jen ty otázky, na které lze odpovědět experimenty.
Pokud se vrátíme ke kvantové teleportaci - vzhledem k problémům, které jste popsali: najde aplikaci v kvantových počítačích, komunikačních satelitech a dalších systémech?
- Jsem si jist, že kvantové technologie budou stále více pronikat do komunikačních systémů a rychle vstoupí do našeho každodenního života. Jak přesně ještě není jasné - informace lze například přenášet teleportací i běžnými vláknovými optickými linkami pomocí systémů kvantového distribuce klíčů.
Kvantová paměť se zase podle mě stane realitou po chvíli. Minimálně bude nutné vytvořit opakovače pro kvantové signály a systémy. Na druhou stranu je obtížné předvídat, jak a kdy bude vše provedeno.
Dříve či později se kvantová teleportace nestane exotickou, ale každodenní věcí, kterou může každý použít. Je nepravděpodobné, že tento proces uvidíme, ale výsledky jeho práce, včetně sítí pro bezpečný přenos dat a systémů satelitní komunikace, budou v našich životech hrát obrovskou roli.
Jak daleko proniknou kvantové technologie do jiných sfér vědy a života, které nesouvisejí s IT nebo fyzikou?
- To je dobrá otázka, na kterou je ještě obtížnější odpovědět. Když se objevily první tranzistory, mnoho vědců věřilo, že by našli uplatnění pouze v naslouchacích pomůckách. To se stalo, i když nyní se tímto způsobem používá jen velmi malá část polovodičových zařízení.
Přesto se mi zdá, že ke kvantovému průlomu skutečně dojde, ale ne všude. Například jakékoli gadgety a zařízení, která interagují s prostředím a nějak měří jeho vlastnosti, nevyhnutelně dosáhnou kvantového limitu, o kterém jsme již diskutovali. A naše technologie jim pomohou obejít tento limit nebo alespoň minimalizovat rušení.
Navíc jsme již jeden z těchto problémů vyřešili pomocí stejného přístupu „negativní hmoty“, čímž jsme vylepšili kvantové senzory magnetického pole. Taková zařízení mohou najít velmi specifické biomedicínské aplikace - lze je použít k monitorování práce srdce a mozku, k posouzení šancí na infarkt a dalších problémů.
Moji kolegové z RCC dělají něco podobného. Nyní společně diskutujeme o tom, čeho jsme dosáhli, snažíme se zkombinovat naše přístupy a získat něco zajímavějšího.