Prošlog mjeseca milijarder Jurij Milner i astrofizičar Stephen Hawking najavili su Breakthrough Starshot: nevjerojatno ambiciozan plan za slanje prvog svemirskog broda napravljenog u drugi sustav zvijezda u našoj galaksiji. Ogromni laserski niz mogao bi lansirati uređaj veličine mikročipa u drugu zvijezdu brzinom svjetlosti od 20%. Ali nije jasno kako bi ovaj mali uređaj mogao komunicirati s nama kroz ogroman međuzvjezdani prostor. Što je s kvantnim zapletom? Može li se primijeniti na takvu vezu?
Ova ideja svakako zaslužuje pažnju.
Zamislite dvije kovanice od kojih svaka može izići na glave ili repove. Imate jedan novčić, ja imam drugi, a mi smo izuzetno udaljeni jedan od drugog. Mi bacamo svoje kovanice u zrak, hvatamo ih i lupamo po stolu. Prije nego što pogledamo komad koji je sletio, očekujemo vjerojatnost 50/50 da naiđu na repove, a naravno i na glave. U običnom, nerazgovorenom svemiru vaši će rezultati i moji biti neovisni jedni o drugima. Ako naiđete na repove, moj novčić ima 50% šanse da padnete glavom ili repom. Ali pod određenim uvjetima, ovi rezultati mogu biti zbunjujući: ako pokrenete ovaj eksperiment i dobijete repove, znat ćete da moj novčić ima stopostotnu priliku pokazati glave prije nego što vam kažem. Znat ćete o tome odmah, čak i ako nas razdvoje svjetlosne godine i nije prošla nijedna sekunda.
U kvantnoj fizici obično upletemo ne novčiće, već pojedinačne čestice, poput elektrona i fotona, gdje, na primjer, svaki foton može imati spin +1 ili -1. Ako izmjerite spin jednog fotona, odmah prepoznajete spin drugog, čak i ako je pola svemira udaljen od nas. Sve dok ne izmjerite spin jednog fotona, obojica postoje u neodređenom stanju; ali čim jednom odmjerite, to odmah znate. Na Zemlji smo izveli takav eksperiment, odvojivši dva zapletena fotona na više kilometara i izmjerite njihove vrtnje preko nanosekunde. Pokazalo se da ako izmjerimo spin jednog, a ispada da je +1, otkrijemo da je spin drugog -1 10 000 puta brži od brzine svjetlosti koja nam je mogla dopustiti.
I evo pitanja: bismo li mogli iskoristiti ovo svojstvo - kvantno zapletanje - za komunikaciju s dalekim zvjezdanim sustavom? Odgovor: da, ako uzmemo mjerenje na udaljenoj lokaciji kao oblik komunikacije. Ali kad kažete povezivanje, obično želite znati nešto o mjestu sa kojim se povezujete. Možete, na primjer, držati zapetljanu česticu u neodređenom stanju, poslati je na svemirskom brodu u obližnju zvijezdu i reći joj da traži znakove stjenovitih planeta unutar naseljene zone ove zvijezde. Ugledajući ga, on vrši mjerenje, što dovodi do činjenice da će vaša čestica biti u stanju +1, a ako ne, tada će mjerenje pokazati da je vaša čestica u stanju -1.
Promotivni video:
Dakle, pretpostavljate da bi čestica na Zemlji trebala biti u stanju -1 kad je izmjerite, što će ukazivati da je svemirski brod pronašao planetu u naseljenoj zoni ili u stanju +1, što će značiti da uređaj ima planetu nije pronađeno. Ako znate da je izvršeno mjerenje, možete uzeti vlastito mjerenje i odmah znati o stanju druge čestice, čak i ako je udaljeno mnogo svjetlosnih godina.
Valni uzorak za elektrone koji prolaze kroz dvostruki prorez. Ako izmjerite kroz koji prorez elektron prolazi, uništit ćete obrazac kvantne interferencije.
Plan je u redu. Ali postoji problem: zapletenost djeluje samo ako česticu pitate: u kojem ste stanju? Ako upleteno česticu postavite u određeno stanje, razbijete ga i mjerenje će na Zemlji biti potpuno neovisno o mjerenju udaljene zvijezde. Ako ste jednostavno izmjerili udaljenu česticu (i saznali: +1 ili -1), tada će i vaše mjerenje na Zemlji biti -1 ili +1 (respektivno) i dat će vam podatke o čestici koja se nalazi svjetlosnim godinama daleko od vas. Ako uronite česticu u stanje +1 ili -1, tada će, bez obzira na rezultat, vaša čestica na Zemlji imati 50% vjerojatnost +1 ili -1 i neće ništa reći o čestici tokom mnogih svjetlosnih godina.
Ovo je jedna od najnerazumijevanijih stvari u kvantnoj fizici: zapletenost se može upotrijebiti za dobivanje podataka o komponenti sustava kada znate njegovo potpuno stanje i izmjerite drugu komponentu, ali ne i za stvaranje i prijenos podataka iz jednog dijela zapletenog sustava u drugi. … Stoga nema mogućnosti za komunikaciju brže od svjetlosti.
Kvantno zapetljanje nevjerojatna je osobina koju možemo koristiti za mnoštvo različitih stvari, poput savršenog sustava šifriranja informacija. Ali komunikacija je brža od svjetlosti? Da bismo razumjeli zašto to nije moguće, moramo razumjeti ključno svojstvo kvantne fizike: prisilno ubacivanje čak i dijela zamršenog sustava u jedno stanje sprječava vas da dobijete informacije o ovom padu mjerenjem ostatka sustava. Kao što je Niels Bohr jednom istaknuo, "ako vas kvantna mehanika još nije duboko šokirala, to još niste shvatili".
Svemir stalno igra s nama kockice, na veliku Einsteinovu žalost. Čak i naše najbolje pokušaje varanja u ovoj igri otkriva priroda.