Professor i fysik ved Niels Bohr-instituttet i København, en af pionererne inden for kvanteteleportering, Eugene Polzik, forklarede til RIA Novosti, hvor grænsen er mellem de "rigtige" og "kvante" verdener, hvorfor en person ikke kan teleporteres, og hvordan han formåede at skabe stof med "negativ masse".
For fem år siden implementerede hans team først et eksperiment for at teleportere ikke et enkelt atom eller en partikel af lys, men et makroskopisk objekt.
Han var for nylig formand for det internationale rådgivende bestyrelse for det russiske Quantum Center (RQC), og erstattede Mikhail Lukin, skaberen af en af de største kvantecomputere i verden og en af verdens førende inden for kvanteberegning. Ifølge professor Polzik vil han fokusere på at udvikle og realisere det intellektuelle potentiale hos unge russiske forskere og styrke den internationale deltagelse i RCC's arbejde.
”Eugene, vil menneskeheden nogensinde kunne teleportere mere end enkelte partikler eller en samling atomer eller andre makroskopiske objekter?
- Du har ingen idé om, hvor ofte jeg bliver stillet dette spørgsmål - tak for ikke at spørge mig, om det er muligt at teleportere en person. Generelt set er situationen som følger.
Universet er et gigantisk objekt, som er viklet ind på kvantniveauet. Problemet er, at vi ikke er i stand til at "se" alle objektets frihedsgrader. Hvis vi tager et stort objekt i et sådant system og forsøger at overveje det, vil interaktion af dette objekt med andre dele af verden give anledning til det, der kaldes en "blandet tilstand", hvor der ikke er nogen sammenfiltring.
Det såkaldte monogami-princip fungerer i kvanteverdenen. Det kommer til udtryk i det faktum, at hvis vi har to ideelt sammenfiltrede objekter, så kan begge af dem ikke have så stærke "usynlige forbindelser" med andre objekter i den omgivende verden som med hinanden.
Eugene Polzik, professor ved Niels Bohr-instituttet i København og leder af RCCs internationale rådgivende bestyrelse. Foto: RCC.
Salgsfremmende video:
Når vi vender tilbage til spørgsmålet om kvanteteleportering, betyder dette, at intet i princippet forhindrer os i at forvirre og teleportere et objekt på størrelse med mindst hele universet, men i praksis vil det forhindre os i at se alle disse forbindelser på samme tid. Derfor er vi nødt til at isolere makroobjekter fra resten af verden, når vi udfører sådanne eksperimenter, og tillader dem kun at interagere med de "nødvendige" objekter.
For eksempel var det i vores eksperimenter muligt at udføre dette for en sky indeholdende en billion billioner atomer, på grund af det faktum, at de var i et vakuum og holdt i en speciel fælde, der isolerede dem fra omverdenen. Disse kameraer blev forresten udviklet i Rusland - i laboratoriet i Mikhail Balabas ved St. Petersburg State University.
Senere gik vi videre til eksperimenter på større objekter, der kan ses med det blotte øje. Og nu udfører vi et eksperiment om teleportering af vibrationer, der opstår i tynde membraner lavet af dielektriske materialer, der måler millimeter for millimeter.
På den anden side er jeg personligt mere interesseret i andre områder i kvantefysik, hvor virkelige gennembrud forekommer mig i den nærmeste fremtid. De vil helt sikkert overraske alle.
Hvor præcis?
- Vi ved alle godt, at kvantemekanik ikke tillader os at vide alt, hvad der sker i verden omkring os. På grund af Heisenberg-usikkerhedsprincippet kan vi ikke samtidig måle alle egenskaber ved objekter med den højest mulige nøjagtighed. Og i dette tilfælde forvandles teleportering til et værktøj, der giver os mulighed for at omgå denne begrænsning, og overføre ikke delvis information om objektets tilstand, men hele objektet i sig selv.
De samme love i kvanteverdenen forhindrer os i nøjagtigt at måle banen til atomer, elektroner og andre partikler, da det er muligt at finde ud af den nøjagtige hastighed for deres bevægelse eller deres position. I praksis betyder dette, at nøjagtigheden af alle slags tryk-, bevægelses- og accelerationssensorer er strengt begrænset af kvantemekanik.
For nylig indså vi, at det ikke altid er tilfældet: det hele afhænger af, hvad vi mener med "hastighed" og "position." For eksempel, hvis vi under sådanne målinger ikke bruger klassiske koordinatsystemer, men deres kvante-modstykker, vil disse problemer forsvinde.
Med andre ord, i det klassiske system forsøger vi at bestemme placeringen af en bestemt partikel i forhold til groft sagt et bord, en stol eller et andet referencepunkt. I et kvantekoordinatsystem vil nulet være et andet kvanteobjekt, som systemet af interesse for os interagerer med.
Det viste sig, at kvantemekanik gør det muligt at måle begge parametre - både bevægelseshastigheden og banen - med uendelig stor nøjagtighed for en bestemt kombination af egenskaber for referencepunktet. Hvad er denne kombination? En sky af atomer, der tjener som nul for kvantekoordinatsystemet, skal have en effektiv negativ masse.
Faktisk har disse atomer naturligvis ikke "vægtproblemer", men de opfører sig som om de havde negativ masse på grund af det faktum, at de er placeret på en speciel måde i forhold til hinanden og befandt sig i et specielt magnetfelt. I vores tilfælde fører dette til det faktum, at accelerationen af partiklen mindskes, men ikke øger dens energi, hvilket er absurd set fra klassisk nuklear fysisk synspunkt.
Dette hjælper os med at slippe af med de tilfældige ændringer i partiklernes placering eller deres bevægelseshastighed, der opstår, når vi måler deres egenskaber ved hjælp af lasere eller andre fotonkilder. Hvis vi placerer en sky af atomer med "negativ masse" i stien til denne stråle, vil den først interagere med dem, derefter vil den flyve gennem objektet, der undersøges, disse tilfældige forstyrrelser eliminerer hinanden, og vi vil kunne måle alle parametre med uendelig høj nøjagtighed.
Alt dette er langt fra teori - for et par måneder siden testede vi allerede disse ideer eksperimentelt og offentliggjorde resultatet i tidsskriftet Nature.
Er der nogen praktisk anvendelse til dette?
- For et år siden sagde jeg allerede i Moskva, at et lignende princip om at "fjerne" kvanteusikkerhed kan bruges til at forbedre nøjagtigheden af arbejdet i LIGO og andre gravitationsobservatorier.
Så var det bare en idé, men nu er det begyndt at tage form. Vi arbejder på dets implementering sammen med en af pionererne inden for kvantemålinger og en deltager i LIGO-projektet, professor Farid Khalili fra RCC og Moskva State University.
Vi taler selvfølgelig ikke om at installere et sådant system på selve detektoren - dette er en meget kompliceret og tidskrævende proces, og LIGO har selv planer, som vi simpelthen ikke kan komme ind på. På den anden side er de allerede interesseret i vores ideer og er klar til at lytte til os yderligere.
Under alle omstændigheder skal du først oprette en fungerende prototype af en sådan installation, som viser, at vi virkelig kan trænge over grænsen i målepræcision pålagt af Heisenberg-usikkerhedsprincippet og andre kvanteverdenlove.
Vi vil gennemføre de første eksperimenter af denne art på et ti meter interferometer i Hannover, en mindre kopi af LIGO. Vi samler nu alle de nødvendige komponenter til dette system, inklusive et stativ, lyskilder og en sky af atomer. Hvis vi lykkes, er jeg sikker på, at vores amerikanske kolleger vil lytte til os - der er ingen andre måder at komme omkring kvantegrænsen endnu på.
Vil tilhængerne af deterministiske kvanteteorier, der mener, at der ikke findes chancer i kvanteverdenen, overveje sådanne eksperimenter som bevis på rigtigheden af deres ideer?
- For at være ærlig ved jeg ikke, hvad de synes om det. Næste år arrangerer vi en konference i København om grænserne mellem klassisk og kvantefysik og lignende filosofiske spørgsmål, og de kan deltage, hvis de vil præsentere deres vision for dette problem.
Selv holder jeg fast ved den klassiske Københavns fortolkning af kvantemekanik, og jeg indrømmer, at bølgefunktioner ikke er begrænset i størrelse. Indtil videre ser vi ikke tegn på, at dens bestemmelser overtrædes et eller andet sted eller er i strid med praksis.
Laboratorium for kvanteoptik ved det russiske Quantum Center. Foto: RCC.
I de senere år har fysikere udført utallige tests af Bells uligheder og Einstein-Podolski-Rosen-paradokset, som fuldstændigt udelukker muligheden for, at objekter på kvantniveau kan kontrolleres af nogle skjulte variabler eller andre ting uden for klassisk kvanteteoriens rækkevidde.
For eksempel var der for et par måneder siden endnu et eksperiment, der lukkede alle mulige "huller" i Bells ligninger, der blev brugt af fortalere for teorien om skjulte variabler. Vi kan kun, for at parafrasere Niels Bohr og Richard Feynman, "lukke op og eksperimentere": det ser ud til, at vi kun skal stille os selv de spørgsmål, der kan besvares gennem eksperimenter.
Hvis vi går tilbage til kvanteteleportering - i betragtning af de problemer, du beskrev: finder den anvendelse i kvantecomputere, kommunikationssatellitter og andre systemer?
- Jeg er sikker på, at kvanteteknologier mere og mere trænger igennem kommunikationssystemer, og at de hurtigt kommer ind i vores daglige liv. Hvor nøjagtigt endnu ikke er klart - information kan for eksempel overføres både via teleportering og gennem almindelige fiberoptiske linjer ved hjælp af kvantetastdistributionssystemer.
Kvantehukommelse vil, efter min mening, også blive en realitet efter et stykke tid. Som et minimum vil det være nødvendigt at oprette repeatere til kvantesignaler og systemer. På den anden side er det vanskeligt at forudsige, hvordan og hvornår alt dette vil blive implementeret.
Før eller senere vil kvanteteleportering ikke blive eksotisk, men en dagligdags ting, som alle kan bruge. Selvfølgelig er det usandsynligt, at vi ser denne proces, men resultaterne af dens arbejde, herunder sikre datatransmissionsnetværk og satellitkommunikationssystemer, vil spille en enorm rolle i vores liv.
Hvor langt vil kvanteteknologier trænge ind i andre videnskabs- og livssfærer, der ikke har relation til IT eller fysik?
- Dette er et godt spørgsmål, som er endnu sværere at besvare. Da de første transistorer dukkede op, troede mange forskere, at de kun ville finde anvendelse i høreapparater. Dette er, hvad der skete, selvom nu kun en meget lille del af halvlederenheder bruges på denne måde.
Ikke desto mindre ser det ud til, at der faktisk vil forekomme et kvantebrud, men ikke overalt. For eksempel vil alle gadgets og enheder, der interagerer med miljøet og på en eller anden måde måle dets egenskaber, uundgåeligt nå kvantegrænsen, som vi allerede har drøftet. Og vores teknologier vil hjælpe dem med at omgå denne grænse eller i det mindste minimere interferens.
Derudover har vi allerede løst et af disse problemer ved hjælp af den samme “negative masse” -tilgang, hvilket forbedrer kvantemagnetiske feltføler. Sådanne enheder kan finde meget specifikke biomedicinske anvendelser - de kan bruges til at overvåge hjertets og hjernens arbejde ved at vurdere chancerne for at få et hjerteanfald og andre problemer.
Mine kolleger fra RCC laver noget lignende. Nu diskuterer vi, hvad vi har opnået, og forsøger at kombinere vores tilgange og få noget mere interessant.