I forrige måned skjedde to interessante utviklinger innen kvanteteknologi på en gang: Kinesiske forskere teleporterte lysfotoner fra en jordstasjon til en romsatellitt og en årlig konferanse av ledende kvantefysikkeksperter ble avholdt i Moskva. Business Insider var i stand til å fange Dr. Eugene Polzik fra Niels Bohr Institute, en av de ledende ekspertene innen kvante teleportering, og spurte ham om en rekke spørsmål, inkludert den enestående suksessen til hans kinesiske kolleger.
"Teleporteringer av denne typen har blitt utført under laboratorieforhold siden 1997, men kinesiske forskere har klart å oppnå denne fantastiske teknologiske effekten på lang avstand," sa Polzik.
I 2012 teleporterte et team av europeiske forskere fotoner mellom de to Kanariøyene. Avstanden mellom sender- og mottaksutstyret var 141 kilometer. Kinesiske forskere klarte å slå denne rekorden i juli da de vellykket teleporterte fotoner over en avstand på 500 kilometer.
Vi har lenge drømt om en slik teknologi fra Star Trek, selv om vår intuisjon alltid har sagt at teleportering i utgangspunktet er umulig. Imidlertid har fysikken i vår virkelige verden, der vi lever hver dag, lite likhet med kvanteverdenens fysikk. Her er lovene til en fallende stein fra en klippe og styrende elektroner og individuelle lysfotoner helt forskjellige fra det vi er vant til å se. Derfor, i en så bisarr verden, er nesten alt mulig, inkludert teleportering. Hvordan forstå alt dette? Vi starter med kvanteforvikling.
Hva er kvanteforvikling?
Noen ganger viser det seg at to kvantepartikler er speilbundet. Uansett hva som skjer med en av disse partiklene, vil det samme skje med den andre. Selv om de er atskilt med store avstander. De er fortsatt to separate objekter, men de er identiske i alt. Når to partikler deler sine tilstander, kalles slike partikler viklet inn.
"Anta at jeg opprettet et par sammenfiltrede fotoner," forklarer Polzik.
Kampanjevideo:
“Jeg beholder den ene og sender den andre med en laser til en romsatellitt i bane og håper at fotonet når målet. Teleportering kan bare betraktes som vellykket når tofoton-sammenfiltringsstatus er skilt mellom sendestasjon og mottaksstasjon."
Den viktigste tekniske vanskeligheten ved teleporteringsprosessen er overføring av et foton til en viss avstand fra den sammenfiltrede partikkelpartikkelen. I tilfelle av det kinesiske eksperimentet var en foton i et laboratorium på jorden, og den andre ble vellykket sendt til en satellitt i bane. Endringene som har skjedd med fotonet på jorden som en del av manipulasjonene fra forskere, har også påvirket fotonet i rommet - dette er kvante teleportering i sin reneste form.
Hvordan forstå om satellitten mottok ønsket foton, og ikke noe tilfeldig lyspartikkel?
Dette er relativt enkelt å gjøre takket være en prosess som kalles spektralfiltrering. Det lar forskere identifisere og spore individuelle lysfotoner ved å merke dem med et unikt identifikasjonsnummer.
“Du kjenner frekvensen til fotonet du sender, du kjenner retningen. Satellitten er rettet mot utsendelseskilden på jorden. Hvis du har veldig godt optisk utstyr på begge sider, så ser denne optikken bare kilden, og ingenting annet,”fortsetter Polzik.
Spektralfiltreringsmetoden er likegyldig "støy" i form av andre fotoner. For eksempel, i det samme eksperimentet på Kanariøyene, ble overføringen utført under klar solskinn.
Det ble overført millioner av fotoner til satellitten, men bare 900 nådde destinasjonen. Hvorfor?
Jo lenger du prøver å sende den sammenfiltrede fotonen, desto mindre effektiv blir denne prosessen. Dessuten er jordas atmosfære i konstant bevegelse, så det er enkelt å miste fotoner på vei inn i verdensrommet.
“Selv om det ikke var atmosfære, må du likevel fokusere lysstrålen slik at den er rettet mot satellitten. Hvis du skinner en laserpeker på håndflaten din, vil lyspunktet være lite, men hvis du bare fjerner laseren, blir punktet større - dette er diffraksjonsloven, sier Polzik.
Fra bakken er det ganske vanskelig for lys å bryte gjennom til rommet (til en optisk mottaker installert på en satellitt i bane). Det forvrenger mye, så de fleste fotonene går ingen steder.
“Vellykket teleportering kan bare oppnås over en veldig kort periode. Generelt sett er dette veldig upraktisk, men likevel kan man finne måter å bruke denne teknologien på, fortsetter Polzik.
Er Quantum Teleportation en øyeblikkelig overføring av data?
Ikke egentlig. Teleporterbare objekter forsvinner ikke og dukker opp igjen et annet sted. Forskere bruker vikling for å overføre informasjon om kvantetilstanden til en foton til en annen. Uten denne informasjonen må fotonet fysisk dekke hele avstanden mellom senderen og mottakeren. Igjen overføres ikke informasjon umiddelbart. Dette er bare mulig når avsenderen måler kvantetilstanden til fotonet sitt, og derved endrer tilstanden til fotonet på mottakeren. På grunn av kvantevikling blir i det vesentlige en foton en annen foton.
Så hva er alt dette til?
Kvante teleportering er i stand til å bevise begrepet muligheten for å opprette et ekstremt sikkert verdenskommunikasjonsnettverk. Som en nøkkel som åpner en lås, vil en melding som overføres over et kvantenettverk bare nå adressaten som har den korrekt sammenfiltrede fotonen, som gjør at denne meldingen kan mottas og leses.
Albert Einstein kalte en gang kvanteforvikling for”skummel langdistanshandling”, men denne langtransaksjonen er den grunnleggende komponenten som får alt til å fungere. Og en dag kan han bli pådriver for vår sikre kommunikasjon i fremtiden.
Nikolay Khizhnyak
