Professor i fysikk ved Niels Bohr-instituttet i København, en av pionerene innen kvanteteleportering, Eugene Polzik, forklarte til RIA Novosti hvor grensen er mellom den "virkelige" og "kvante" verdenen, hvorfor en person ikke kan teleporteres og hvordan han klarte å skape materie med "negativ masse"
For fem år siden implementerte teamet hans først et eksperiment for å teleportere ikke et eneste atom eller partikkel av lys, men et makroskopisk objekt.
Han var nylig styreleder for det internasjonale rådgivende styret for Russian Quantum Center (RQC), og erstattet Mikhail Lukin, skaperen av en av de største kvantecomputere i verden og verdensledende innen kvanteberegning. I følge professor Polzik vil han fokusere på å utvikle og realisere det intellektuelle potensialet til unge russiske forskere og styrke internasjonal deltakelse i arbeidet med RCC.
“Eugene, vil menneskeheten noen gang kunne teleportere mer enn enkeltpartikler eller en samling atomer eller andre makroskopiske gjenstander?
- Du aner ikke hvor ofte jeg blir stilt dette spørsmålet - takk for at du ikke spør meg om det er mulig å teleportere en person. Generelt sett er situasjonen som følger.
Universet er et gigantisk objekt, viklet inn på kvantenivå. Problemet er at vi ikke er i stand til å "se" alle frihetens grader av dette objektet. Hvis vi tar et stort objekt i et slikt system og prøver å vurdere det, vil interaksjonene til dette objektet med andre deler av verden føre til det som kalles en "blandet tilstand" der det ikke er noen sammenfiltring.
Det såkalte prinsippet om monogami opererer i kvanteverdenen. Det kommer til uttrykk i det faktum at hvis vi har to ideelt sammenfiltrede objekter, så kan ikke begge ha like sterke "usynlige forbindelser" med noen andre objekter i den omliggende verden som med hverandre.
Eugene Polzik, professor ved Niels Bohr-instituttet i København og leder av det internasjonale rådgivende styret for RCC. Foto: RCC.
Salgsfremmende video:
Når vi kommer tilbake til spørsmålet om kvanteteleportering, betyr dette at ingenting i prinsippet hindrer oss i å forvirre og teleportere et objekt på størrelse med minst hele universet, men i praksis vil det forhindre oss i å se alle disse forbindelsene på samme tid. Derfor må vi isolere makroobjekter fra resten av verden når vi utfører slike eksperimenter, og la dem bare samhandle med de "nødvendige" objektene.
I våre eksperimenter var det for eksempel mulig å oppnå dette for en sky som inneholdt en billion atomer, på grunn av det faktum at de var i et vakuum og holdt i en spesiell felle som isolerte dem fra omverdenen. Disse kameraene ble forresten utviklet i Russland - i laboratoriet til Mikhail Balabas ved St. Petersburg State University.
Senere gikk vi videre til eksperimenter på større gjenstander som kan sees med det blotte øye. Og nå gjennomfører vi et eksperiment om teleportering av vibrasjoner som oppstår i tynne membraner laget av dielektriske materialer som måler millimeter for millimeter.
Nå, på den annen side, er jeg personlig mer interessert i andre områder innen kvantefysikk, der det for meg synes virkelige gjennombrudd vil finne sted i løpet av en nær fremtid. De vil definitivt overraske alle.
Nøyaktig hvor?
- Vi vet alle godt at kvantemekanikk ikke tillater oss å vite alt som skjer i verden rundt oss. På grunn av Heisenberg usikkerhetsprinsipp, kan vi ikke samtidig måle alle egenskaper til objekter med størst mulig nøyaktighet. Og i dette tilfellet blir teleportering til et verktøy som lar oss omgå denne begrensningen, og overfører ikke delvis informasjon om gjenstandens tilstand, men hele selve objektet.
De samme lovene i kvanteverdenen forhindrer oss i å nøyaktig måle bane for bevegelse av atomer, elektroner og andre partikler, siden det er mulig å finne ut den nøyaktige hastigheten på bevegelsen eller deres posisjon. I praksis betyr dette at nøyaktigheten til alle slags trykk-, bevegelses- og akselerasjonssensorer er strengt begrenset av kvantemekanikk.
Nylig innså vi at dette ikke alltid er tilfelle: det avhenger av hva vi mener med "hastighet" og "posisjon." For eksempel, hvis vi ikke bruker klassiske koordinatsystemer, men deres kvantestykke, under slike målinger, vil disse problemene forsvinne.
I det klassiske systemet prøver vi med andre ord å bestemme posisjonen til en bestemt partikkel i forhold til grovt sett et bord, en stol eller et annet referansepunkt. I et kvantekoordinatsystem vil null være et annet kvanteobjekt som systemet av interesse for oss samhandler med.
Det viste seg at kvantemekanikk gjør det mulig å måle begge parametrene - både bevegelseshastigheten og banen - med uendelig høy nøyaktighet for en viss kombinasjon av egenskaper til referansepunktet. Hva er denne kombinasjonen? En sky av atomer som fungerer som null for kvantekoordinatsystemet, må ha en effektiv negativ masse.
Faktisk har naturligvis ikke disse atomene "vektproblemer", men de oppfører seg som om de hadde negativ masse, på grunn av det faktum at de er lokalisert på en spesiell måte i forhold til hverandre og befant seg i et spesielt magnetfelt. I vårt tilfelle fører dette til at akselerasjonen av partikkelen avtar, men ikke øker energien, noe som er absurd sett fra klassisk kjernefysisk synspunkt.
Dette hjelper oss å bli kvitt de tilfeldige endringene i partiklernes plassering eller deres bevegelseshastighet som oppstår når vi måler deres egenskaper ved hjelp av lasere eller andre fotonkilder. Hvis vi plasserer en sky av atomer med "negativ masse" i banen til denne strålen, vil den først samhandle med dem, så vil den fly gjennom objektet som er studert, disse tilfeldige forstyrrelsene eliminerer hverandre, og vi vil kunne måle alle parametere med uendelig høy nøyaktighet.
Alt dette er langt fra teori - for noen måneder siden testet vi allerede disse ideene eksperimentelt og publiserte resultatet i tidsskriftet Nature.
Er det noen praktiske bruksområder for dette?
- For et år siden sa jeg allerede, mens jeg snakket i Moskva, at et lignende prinsipp for å "fjerne" kvanteusikkerhet kan brukes for å forbedre nøyaktigheten til arbeidet til LIGO og andre gravitasjonsobservatorier.
Da var det bare en idé, men nå har den begynt å ta form. Vi jobber med implementeringen av den sammen med en av pionerene for kvantemålinger og en deltaker i LIGO-prosjektet, professor Farid Khalili fra RCC og Moscow State University.
Vi snakker selvfølgelig ikke om å installere et slikt system på selve detektoren - dette er en veldig komplisert og tidkrevende prosess, og LIGO selv har planer som vi rett og slett ikke kan komme inn på. På den annen side er de allerede interessert i ideene våre og er klare til å lytte til oss videre.
Uansett må du først lage en fungerende prototype av en slik installasjon, som vil vise at vi virkelig kan trå over grensen i måleøyaktighet pålagt av Heisenberg usikkerhetsprinsipp og andre lover i kvanteverdenen.
Vi vil utføre de første eksperimentene av denne typen på et ti meter stort interferometer i Hannover, en mindre kopi av LIGO. Vi monterer nå alle nødvendige komponenter for dette systemet, inkludert et stativ, lyskilder og en sky av atomer. Hvis vi lykkes, er jeg sikker på at våre amerikanske kolleger vil lytte til oss - det er ingen andre måter å komme seg rundt kvantegrensen på ennå.
Vil talsmenn for deterministiske kvanteteorier, som mener at sjansene ikke eksisterer i kvanteverdenen, vurdere slike eksperimenter som bevis på at ideene deres er korrekte?
- For å være ærlig vet jeg ikke hva de synes om det. Neste år arrangerer vi en konferanse i København om grensene mellom klassisk og kvantefysikk og lignende filosofiske spørsmål, og de kan delta hvis de vil presentere sin visjon om dette problemet.
Selv holder jeg fast ved den klassiske København-tolkningen av kvantemekanikk, og jeg innrømmer at bølgefunksjoner ikke er begrenset i størrelse. Så langt ser vi ikke tegn til at bestemmelsene blir brutt et sted eller i strid med praksis.
Laboratorium for kvanteoptikk ved det russiske kvantesenteret. Foto: RCC.
De siste årene har fysikere utført utallige tester av Bells ulikheter og Einstein-Podolski-Rosen-paradokset, som fullstendig utelukker muligheten for at oppførselen til objekter på kvantnivå kan styres av noen skjulte variabler eller andre ting utenfor rammen av klassisk kvanteteori.
For noen måneder siden var det for eksempel et nytt eksperiment som lukket alle mulige "hull" i Bells ligninger som ble brukt av talsmenn for teorien om skjulte variabler. Vi kan bare, for å parafrasere Niels Bohr og Richard Feynman, "holde kjeft og eksperimentere": det ser ut til at vi bare bør stille oss de spørsmålene som kan besvares gjennom eksperimenter.
Hvis vi går tilbake til kvanteteleportering - gitt problemene du beskrev: vil den finne anvendelse i kvantedatamaskiner, kommunikasjonssatellitter og andre systemer?
- Jeg er sikker på at kvanteteknologier mer og mer vil trenge gjennom kommunikasjonssystemer, og at de raskt kommer inn i hverdagen vår. Hvordan nøyaktig ennå ikke er klart - informasjon kan for eksempel overføres både via teleportering og gjennom vanlige fiberoptiske linjer ved bruk av fordelingssystemer for kvante nøkkel.
Kvantehukommelse, på sin side, vil jeg også tro etter hvert. Som et minimum vil det være nødvendig å lage repeatere for kvantesignaler og systemer. På den annen side er det vanskelig å forutsi hvordan og når alt dette skal implementeres.
Før eller siden vil kvanteteleportering ikke bli eksotisk, men en hverdags ting som alle kan bruke. Det er selvfølgelig usannsynlig at vi vil se denne prosessen, men resultatene av arbeidet, inkludert sikre dataoverføringsnett og satellittkommunikasjonssystemer, vil spille en stor rolle i livene våre.
Hvor langt vil kvanteteknologier trenge inn i andre vitenskaps- og livssfærer som ikke har å gjøre med IT eller fysikk?
- Dette er et godt spørsmål, som er enda vanskeligere å svare på. Da de første transistorene dukket opp, trodde mange forskere at de bare ville finne bruk i høreapparater. Dette er hva som skjedde, selv om nå bare en veldig liten andel halvlederenheter brukes på denne måten.
Likevel ser det ut for meg at et kvantegjennomgang vil skje, men ikke overalt. For eksempel vil alle gadgets og enheter som samhandler med miljøet og på en eller annen måte måle dens egenskaper, uunngåelig nå kvantegrensen, som vi allerede har diskutert. Og teknologiene våre vil hjelpe dem å omgå denne grensen, eller i det minste minimere forstyrrelser.
Dessuten har vi allerede løst et av disse problemene ved å bruke den samme “negative mass” -tilnærmingen, og forbedret kvantemagnetiske feltføler. Slike enheter kan finne veldig spesifikke biomedisinske applikasjoner - de kan brukes til å overvåke arbeidet i hjertet og hjernen, og vurdere sjansene for å få et hjerteinfarkt og andre problemer.
Kollegene mine fra RCC gjør noe lignende. Nå diskuterer vi det vi har oppnådd sammen, prøver å kombinere våre tilnærminger og få noe mer interessant.
