Minulý měsíc došlo v oblasti kvantové technologie k dvěma zajímavým vývojům najednou: čínští vědci teleportovali fotony světla z pozemské stanice na vesmírný satelit a v Moskvě se konala výroční konference předních odborníků na kvantovou fyziku. Business Insider dokázal zajmout Dr. Eugene Polzika z institutu Nielse Bohra, jednoho z předních odborníků na kvantovou teleportaci, a vyslechl ho ohledně řady otázek, včetně vynikajícího úspěchu jeho čínských kolegů.
"Teleportace tohoto druhu se provádějí v laboratorních podmínkách od roku 1997, ale čínským vědcům se podařilo dosáhnout tohoto úžasného technologického efektu na velkou vzdálenost," uvedl Polzik.
V roce 2012 tým evropských vědců úspěšně teleportoval fotony mezi dvěma Kanárskými ostrovy. Vzdálenost mezi vysílacím a přijímacím zařízením byla 141 kilometrů. Čínským vědcům se podařilo tento rekord překonat v červenci, kdy úspěšně teleportovali fotony na vzdálenost 500 kilometrů.
O takové technologii ze Star Treku jsme dlouho snili, i když naše intuice vždy říkala, že teleportace je v zásadě nemožná. Fyzika našeho skutečného světa, ve kterém žijeme každý den, se však jen málo podobá fyzice kvantového světa. Zde jsou zákony padajícího kamene z útesu a řídící elektrony a jednotlivé fotony světla zcela odlišné od toho, na co jsme zvyklí. Proto je v tak bizarním světě možné téměř všechno, včetně teleportace. Jak tomu všemu rozumět? Výchozím místem je kvantové zapletení.
Co je kvantové zapletení?
Někdy se ukáže, že jsou dvě kvantové částice spojeny zrcadlově. Ať se stane cokoli s jednou z těchto částic, totéž se stane s druhou. I když jsou odděleny velkou vzdáleností. Stále jsou to dva samostatné objekty, ale ve všem jsou identické. Když dvě částice sdílejí své stavy, tyto částice se nazývají zapletené.
"Předpokládám, že jsem vytvořil pár zapletených fotonů," vysvětluje Polzik.
Propagační video:
"Jeden si nechávám a druhý posílám laserem na obíhající vesmírný satelit v naději, že foton dosáhne svého cíle." Teleportaci lze považovat za úspěšnou pouze tehdy, když je stav zapletení dvou fotonů oddělen mezi vysílací a přijímací stanicí. “
Hlavní technickou obtížností procesu teleportace je přenos fotonu do určité vzdálenosti od zapletené partnerské částice. V případě čínského experimentu byl jeden foton v laboratoři na Zemi a druhý byl úspěšně odeslán na obíhající satelit. Změny, ke kterým došlo u fotonu na Zemi v rámci manipulace vědců, ovlivnily také foton ve vesmíru - jedná se o kvantovou teleportaci v nejčistší formě.
Jak pochopit, zda satelit přijal požadovaný foton, a ne nějakou náhodnou částici světla?
To je relativně snadné, a to díky procesu zvanému spektrální filtrování. Umožňuje vědcům identifikovat a sledovat jednotlivé fotony světla jejich označením jedinečným identifikačním číslem.
"Znáš frekvenci fotonu, který posíláš, znáš jeho směrovost." Družice je zaměřena na zdroj odeslání umístěný na Zemi. Pokud máte velmi dobré optické vybavení na obou stranách, pak tato optika vidí pouze zdroj a nic jiného, “pokračuje Polzik.
Metoda spektrálního filtrování je lhostejná k „šumu“ve formě jiných fotonů. Například ve stejném experimentu na Kanárských ostrovech byl přenos prováděn za jasné slunečné oblohy.
Došlo k přenosu milionů fotonů na satelit, ale do cíle dorazilo jen 900. Proč?
Čím dále se pokusíte poslat zapletený foton, tím méně efektivní je tento proces. Atmosféra Země je navíc v neustálém pohybu, takže ztráta fotonů na cestě do vesmíru je snadná.
"I kdyby tu nebyla atmosféra, stále je potřeba zaostřit paprsek světla tak, aby směřoval k satelitu." Pokud si na dlaň posvítíte laserovým ukazovátkem, bude světelný bod malý, ale pokud laser pouze vyjmete, bod se zvětší - to je zákon difrakce, “říká Polzik.
Ze země je pro světlo poměrně obtížné prorazit do vesmíru (do optického přijímače nainstalovaného na obíhajícím satelitu). Hodně to zkresluje, takže většina fotonů nikam nevede.
"Úspěšné teleportace lze dosáhnout pouze za velmi krátkou dobu." V obecném smyslu je to velmi nepraktické, nicméně lze najít způsoby, jak tuto technologii využít, “pokračuje Polzik.
Je kvantová teleportace schopnost okamžitého přenosu?
Spíš ne. Teleportovatelné objekty nezmizí a znovu se objeví někde jinde. Vědci používají zapletení k přenosu informací o kvantovém stavu jednoho fotonu do druhého. Bez této informace bude foton muset fyzicky pokrýt celou vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem. Informace opět nejsou přenášeny okamžitě. To je možné pouze tehdy, když odesílatel měří kvantový stav svého fotonu, čímž mění stav fotonu v přijímači. Kvůli kvantovému zapletení se v podstatě jeden foton „stává“dalším fotonem.
K čemu to tedy je?
Kvantová teleportace je schopna prokázat koncept možnosti vytvoření ultrabezpečné světové komunikační sítě. Stejně jako klíč, který otevírá zámek, se zpráva přenášená přes kvantovou síť dostane pouze k adresátovi, který vlastní správně zapletený foton, což umožní přijímat a číst tuto zprávu.
Albert Einstein kdysi nazval kvantové zapletení „strašidelnou akcí na velké vzdálenosti“, ale tato akce na velké vzdálenosti je základní složkou, díky níž vše funguje. A jednoho dne se může stát hnacím motorem naší zabezpečené komunikace v budoucnu.
Nikolay Khizhnyak