Minulý měsíc miliardář Yuri Milner a astrofyzik Stephen Hawking oznámili průlom Starshot: neuvěřitelně ambiciózní plán poslat první kosmickou loď vyrobenou člověkem do jiného hvězdného systému v naší galaxii. Obrovské laserové pole by mohlo spustit mikročipovou aparaturu pro jinou hvězdu při 20% rychlosti světla. Není však jasné, jak by toto malé zařízení mohlo s námi komunikovat skrze obrovský mezihvězdný prostor. A co kvantové zapletení? Lze ji použít na takové spojení?
Tento nápad si určitě zaslouží pozornost.
Představte si dvě mince, z nichž každá může vycházet nahoru nebo ocasy. Máte jednu minci, mám jinou a jsme od sebe velmi daleko. Hodíme naše mince do vzduchu, chytíme je a fackujeme je na stůl. Než se podíváme na kousek, který přistál, očekáváme pravděpodobnost 50/50, že se objeví ocasy a samozřejmě také hlavy. V obyčejném, neuzavřeném vesmíru budou vaše výsledky a moje nezávislé na sobě. Pokud narazíte na ocasy, má moje mince 50% šanci na spadnutí hlav nebo ocasu. Ale za určitých podmínek mohou být tyto výsledky matoucí: pokud spustíte tento experiment a dostane ocasy, budete vědět, že moje mince má 100% šanci ukázat hlavy, než vám to řeknu. Okamžitě o tom budete vědět, i když jsme odděleni světelnými roky a neprošla ani jedna sekunda.
V kvantové fyzice obvykle nezapíšíme mince, ale jednotlivé částice, jako jsou elektrony a fotony, kde například každý foton může mít rotaci +1 nebo -1. Pokud změříte rotaci jednoho fotonu, okamžitě rozpoznáte rotaci jiného, i když je od nás vzdálený půl vesmíru. Dokud nebudete měřit rotaci jednoho fotonu, oba existují v neurčité podobě; ale jakmile je jeden změřen, okamžitě o tom víte. Na Zemi jsme provedli takový experiment, který oddělil dva zapletené fotony o mnoho kilometrů a změřil jejich otočení v nanosekundě. Ukázalo se, že pokud změříme rotaci jednoho a ukáže se +1, zjistíme, že rotace druhého -1 je 10 000krát rychlejší, než nám umožnila rychlost světla.
A tady je otázka: mohli bychom tuto vlastnost - kvantové zapletení - použít ke komunikaci se vzdáleným hvězdným systémem? Odpověď: ano, pokud považujeme měření na vzdáleném místě za formu komunikace. Když ale řeknete připojit, obvykle chcete vědět něco o místě, se kterým se spojujete. Můžete například držet zapletenou částici v neurčeném stavu, poslat ji na palubu kosmické lodi blízké hvězdě a říct jí, aby hledala známky skalnatých planet v obyvatelné zóně této hvězdy. Když uvidí jednu, provede měření, které vede k tomu, že vaše částice bude ve stavu +1, a pokud ne, pak měření ukáže, že vaše částice je ve stavu -1.
Propagační video:
Předpokládáte tedy, že částice na Zemi by měla být ve stavu -1, když ji změříte, což bude znamenat, že kosmická loď našla planetu v obyvatelné zóně nebo ve stavu +1, což znamená, že zařízení má planetu nenalezeno. Pokud víte, že bylo provedeno měření, můžete provést své vlastní měření a okamžitě vědět o stavu jiné částice, i když je to o mnoho světelných let dál.
Wave pattern pro elektrony procházející dvojitou štěrbinou. Pokud změříte, kterou štěrbinou prochází elektron, zničíte vzorec kvantového rušení.
Plán je v pořádku. Ale je tu problém: zapletení funguje, pouze pokud se ptáte částice: v jakém stavu se nacházíte? Pokud umístíte zapletenou částici do určitého stavu, rozbijete zapletení a měření na Zemi bude zcela nezávislé na měření vzdálené hvězdy. Pokud jste jednoduše změřili vzdálenou částici (a zjistili: +1 nebo -1), pak vaše měření na Zemi bude také -1 nebo +1 (příslušně) a poskytne vám informace o částici umístěné světelné roky od vás. Pokud ponoříte částici do stavu +1 nebo -1, pak bez ohledu na výsledek bude mít vaše částice na Zemi 50% pravděpodobnost +1 nebo -1 a nebude o ní nic říkat po mnoho světelných let.
Toto je jedna z nejvíce nepochopených věcí v kvantové fyzice: zapletení může být použito k získání informací o komponentě systému, když znáte jeho úplný stav a změříte další komponentu (y), ale ne k vytvoření a přenosu informací z jedné části propleteného systému do druhé. … Proto není příležitost pro komunikaci rychleji než světlo.
Kvantové zapletení je úžasná vlastnost, kterou můžeme použít pro spoustu různých věcí, jako dokonalý šifrovací systém pro informace. Ale komunikace je rychlejší než světlo? Abychom pochopili, proč to není možné, musíme pochopit klíčovou vlastnost kvantové fyziky: že násilné vrhnutí alespoň části zamotaného systému do jednoho stavu vám znemožňuje získat informace o tomto propadu změřením zbytku systému. Jak Niels Bohr jednou zdůraznil, „pokud vás kvantová mechanika ještě hluboce šokovala, ještě jste tomu nerozuměli.“
Vesmír si s námi pořád hraje kostky, hodně k Einsteinově mrzutosti. Dokonce i naše nejlepší pokusy podvádět v této hře jsou přineseny přírodou.