Profesor fizike na Niels Bohr Institutu u Kopenhagenu, jedan od pionira kvantne teleportacije, Eugene Polzik, objasnio je za RIA Novosti gdje je granica između "stvarnog" i "kvantnog" svijeta, zašto se čovjek ne može teleportirati i kako je uspio stvoriti materiju s "negativnom masom".
Prije pet godina njegov je tim prvi izveo eksperiment kako teleportirati ne jedan atom ili čestice svjetlosti, već makroskopski objekt.
Nedavno je predsjedao međunarodnim savjetodavnim odborom Ruskog kvantnog centra (RQC), zamijenivši Mihaela Lukina, tvorca jednog od najvećih kvantnih računala na svijetu i svjetskog lidera u kvantnom računanju. Prema riječima profesora Polzika, on će se usredotočiti na razvoj i ostvarivanje intelektualnog potencijala mladih ruskih znanstvenika i jačanje međunarodnog sudjelovanja u radu RCC-a.
"Eugene, hoće li čovječanstvo ikada moći teleportirati više od pojedinih čestica ili zbirku atoma ili drugih makroskopskih objekata?
- Nemate pojma koliko često mi se postavlja to pitanje - hvala što me niste pitali je li moguće teleportirati osobu. Općenito govoreći, situacija je sljedeća.
Svemir je gigantski objekt, zapetljan u kvantnu razinu. Problem je što nismo u stanju "vidjeti" sve stupnjeve slobode ovog objekta. Ako uzmemo veliki objekt u takvom sustavu i pokušamo ga uzeti u obzir, tada će interakcije ovog objekta s ostalim dijelovima svijeta stvoriti ono što se naziva "miješano stanje" u kojem nema zapetljavanja.
Takozvani princip monogamije djeluje u kvantnom svijetu. Izražava se u činjenici da ako imamo dva idealno zapletena objekta, tada oba ne mogu imati tako jaku "nevidljivu vezu" s bilo kojim drugim objektima okolnog svijeta kao i sa svakim drugim.
Eugene Polzik, profesor na Niels Bohr Institutu u Kopenhagenu i voditelj međunarodnog savjetodavnog odbora RCC-a. Foto: RCC.
Promotivni video:
Ako se vratimo na pitanje kvantne teleportacije, to znači da nas, u principu, ništa ne sprječava da zbunimo i teleportiramo objekt veličine barem čitavog Svemira, ali u praksi će nas spriječiti da sve te veze vidimo istovremeno. Stoga moramo izvoditi makro objekte iz ostatka svijeta kad provodimo takve eksperimente i omogućiti im da međusobno djeluju samo s "potrebnim" objektima.
Na primjer, u našim je eksperimentima bilo moguće postići oblak koji sadrži trilijun atoma, i to zato što su se nalazili u vakuumu i držali u posebnoj zamci koja ih je izolirala od vanjskog svijeta. Ove su kamere, usput, razvijene u Rusiji - u laboratoriju Mihaila Balabasa na Državnom sveučilištu u Sankt Peterburgu.
Kasnije smo prešli na eksperimente na većim predmetima koji se mogu vidjeti golim okom. A sada provodimo eksperiment teleportacije vibracija koje nastaju u tankim membranama napravljenim od dielektričnih materijala dimenzija milimetar po milimetru.
S druge strane, mene osobno više zanimaju druga područja kvantne fizike u kojima će se, čini mi se, u skoroj budućnosti dogoditi pravi proboji. Oni će definitivno iznenaditi sve.
Gdje točno?
- Svi dobro znamo da kvantna mehanika ne dopušta da znamo sve što se događa u svijetu oko nas. Zbog Heisenbergovog principa nesigurnosti, ne možemo istovremeno mjeriti sva svojstva objekata s najvećom mogućom točnošću. I u ovom se slučaju teleportacija pretvara u alat koji nam omogućava da zaobiđemo ovo ograničenje, prenoseći ne djelomične podatke o stanju objekta, već o cijelom samom objektu.
Isti zakoni kvantnog svijeta sprječavaju nas da precizno mjerimo putanju kretanja atoma, elektrona i drugih čestica, jer je moguće otkriti točnu brzinu njihovog kretanja ili njihov položaj. U praksi to znači da je kvantna mehanika strogo ograničena točnost svih vrsta senzora tlaka, pokreta i ubrzanja.
Nedavno smo shvatili da to nije uvijek slučaj: sve ovisi o tome što mislimo pod "brzina" i "položaj". Na primjer, ako tijekom takvih mjerenja koristimo ne klasične koordinatne sustave, već njihove kvantne palete, tada će ti problemi nestati.
Drugim riječima, u klasičnom sustavu pokušavamo odrediti položaj određene čestice u odnosu na, grubo rečeno, stol, stolicu ili neku drugu referentnu točku. U kvantnom koordinatnom sustavu nula će biti još jedan kvantni objekt s kojim surađuje sustav koji nas zanima.
Pokazalo se da kvantna mehanika omogućuje mjerenje oba parametra - i brzine kretanja i putanje - s neograničenom velikom točnošću za određenu kombinaciju svojstava referentne točke. Kakva je to kombinacija? Oblak atoma koji služi kao nula kvantnog koordinatnog sustava mora imati efektivnu negativnu masu.
Zapravo, naravno, ti atomi nemaju "problema s težinom", ali ponašaju se kao da imaju negativnu masu, zbog činjenice da se nalaze na poseban način jedan u odnosu na drugi i da se nalaze unutar posebnog magnetskog polja. U našem slučaju to dovodi do činjenice da se ubrzanje čestice smanjuje, umjesto da povećava njegovu energiju, što je apsurdno sa stajališta klasične nuklearne fizike.
To nam pomaže da se riješimo slučajnih promjena položaja čestica ili njihove brzine kretanja koje se događaju kada mjerimo njihova svojstva laserom ili drugim izvorima fotona. Ako na put ove zrake stavimo oblak atoma s „negativnom masom“, tada će prvo komunicirati s njima, zatim će letjeti kroz predmet koji se proučava, ti slučajni poremećaji jedni druge uklanjaju i moći ćemo mjeriti sve parametre s neograničeno velikom točnošću.
Sve je to daleko od teorije - prije nekoliko mjeseci smo te ideje već eksperimentalno testirali i rezultat objavili u časopisu Nature.
Postoje li neke praktične koristi za to?
- Prije godinu dana, već sam rekao, govoreći u Moskvi, da se sličan princip "uklanjanja" kvantne nesigurnosti može upotrijebiti za poboljšanje točnosti rada LIGO-a i ostalih gravitacijskih opservatorija.
Tada je to bila samo ideja, ali sada je počela dobivati oblik. Na njegovoj provedbi radimo zajedno s jednim od pionira kvantnih mjerenja i sudionikom u projektu LIGO, profesorom Faridom Khalili iz RCC-a i Moskovskog državnog sveučilišta.
Naravno, ne govorimo o instaliranju takvog sustava na sam detektor - to je vrlo složen i dugotrajan proces, a sam LIGO ima planove u koje jednostavno ne možemo ući. S druge strane, već su zainteresirane za naše ideje i spremni su nas slušati dalje.
U svakom slučaju, prvo morate stvoriti radni prototip takve instalacije, koji će pokazati da zaista možemo prijeći granicu u mjernoj točnosti nametnutoj Heisenbergovim principom nesigurnosti i drugim zakonima kvantnog svijeta.
Izvodit ćemo prve takve eksperimente na desetmetarskom interferometru u Hanoveru, manjem primjerku LIGO-a. Sada sastavljamo sve potrebne komponente za ovaj sustav, uključujući postolje, izvore svjetla i oblak atoma. Ako uspijemo, onda sam siguran da će nas naši američki kolege slušati - još nema drugih načina da se zaobiđe kvantna granica.
Hoće li pristaše determinističkih kvantnih teorija, koji vjeruju da šanse ne postoje u kvantnom svijetu, smatrati takvim eksperimentima dokazom ispravnosti svojih ideja?
- Da budem iskren, ne znam što oni misle o tome. Sljedeće godine u Kopenhagenu organiziramo konferenciju o granicama između klasične i kvantne fizike i sličnih filozofskih pitanja, a oni mogu sudjelovati ako žele iznijeti svoje viđenje ovog problema.
Sam se pridržavam klasične kopenhagenske interpretacije kvantne mehanike i priznajem da valne funkcije nisu ograničene u veličini. Za sada ne vidimo znakove da se njegove odredbe negdje krše ili u suprotnosti s praksom.
Laboratorij kvantne optike u Ruskom kvantnom centru. Foto: RCC.
Posljednjih godina fizičari su izveli bezbroj testova Bellovih nejednakosti i paradoksa Einstein-Podolski-Rosen, koji u potpunosti isključuju mogućnost da skrivene varijable ili druge stvari izvan opsega klasične kvantne teorije mogu upravljati ponašanjem objekata na kvantnoj razini.
Primjerice, prije nekoliko mjeseci dogodio se još jedan eksperiment koji je zatvorio sve moguće "rupe" u Bellovim jednadžbama koje su koristili zagovornici teorije skrivenih varijabli. Možemo samo, parafrazirajući Nielsa Bohra i Richarda Feynmana, "ućutati i eksperimentirati": čini mi se da bismo si trebali postavljati samo ona pitanja na koja je moguće odgovoriti eksperimentima.
Ako se vratimo na kvantnu teleportaciju - s obzirom na probleme koje ste opisali: hoće li pronaći primjenu u kvantnim računalima, komunikacijskim satelitima i drugim sustavima?
- Siguran sam da će kvantne tehnologije sve više i više prodirati u komunikacijske sustave i brzo će ući u naš svakodnevni život. Kako točno još nije jasno - na primjer, informacije se mogu prenijeti i teleportacijom i običnim vlaknima optičkim vlaknima pomoću kvantnih distribucijskih sustava.
Kvantna memorija će, zauzvrat, također postati stvarnost nakon nekog vremena. Bit će potrebno barem stvoriti repetitore za kvantne signale i sustave. S druge strane, teško je predvidjeti kako i kada će se sve to provoditi.
Prije ili kasnije, kvantna teleportacija postat će ne egzotika, već svakodnevna stvar koju mogu koristiti svi. Naravno, malo je vjerojatno da ćemo vidjeti ovaj proces, ali rezultati njegovog rada, uključujući sigurne mreže za prijenos podataka i satelitske komunikacijske sustave, igrat će ogromnu ulogu u našem životu.
Koliko će kvantne tehnologije prodrijeti u druge sfere znanosti i života koje se ne odnose na IT ili fiziku?
- Ovo je dobro pitanje, na koje je još teže odgovoriti. Kad su se pojavili prvi tranzistori, mnogi su znanstvenici vjerovali da će ih naći koristi samo u slušnim aparatima. To se i dogodilo, iako se na ovaj način koristi samo vrlo mali dio poluvodičkih uređaja.
Ipak, čini mi se da će se zbilja dogoditi kvantni proboj, ali ne svugdje. Na primjer, bilo koji uređaj i uređaj koji komuniciraju s okolinom i na neki način mjere njegova svojstva neizbježno će doseći kvantnu granicu, o kojoj smo već raspravljali. Naše tehnologije pomoći će im da pređu ovu granicu ili barem smanje smetnje.
Štoviše, jedan smo od tih problema već riješili koristeći isti pristup „negativne mase“, poboljšavajući senzore kvantnog magnetskog polja. Takvi uređaji mogu pronaći vrlo specifične biomedicinske aplikacije - mogu se koristiti za nadgledanje rada srca i mozga, procjenjivanje šansi za srčani udar i druge probleme.
Moje kolege iz RCC-a rade nešto slično. Sada zajedno razgovaramo o onome što smo postigli, pokušavajući kombinirati svoje pristupe i dobiti nešto zanimljivije.