Sidste måned fandt der to interessante udviklinger inden for kvanteteknologi sted med det samme: Kinesiske forskere teleporterede lysfotoner fra en jordstation til en rumsatellit og en årlig konference med førende kvantefysikeksperter blev afholdt i Moskva. Business Insider var i stand til at fange Dr. Eugene Polzik fra Niels Bohr Institute, en af de førende eksperter inden for kvante teleportering, og afhørte ham om en række forskellige emner, herunder den fremragende succes fra hans kinesiske kolleger.
”Teleporteringer af denne art er blevet udført under laboratorieforhold siden 1997, men kinesiske forskere har formået at opnå denne fantastiske teknologiske effekt i stor afstand,” sagde Polzik.
I 2012 teleporterede et team af europæiske forskere med succes fotoner mellem de to Kanariske Øer. Afstanden mellem de transmitterende og modtagende enheder var 141 kilometer. Kinesiske forskere formåede at slå denne rekord i juli, da de med succes teleporterede fotoner over en afstand på 500 kilometer.
Vi har længe drømt om en sådan teknologi fra Star Trek, selvom vores intuition altid har sagt, at teleportering i princippet er umulig. Imidlertid ligner fysikken i vores virkelige verden, hvor vi lever hver dag, kun lidt af kvanteverdenens fysik. Her er lovene om en faldende sten fra en klippe og styrende elektroner og individuelle lysfotoner helt forskellige fra det, vi er vant til at se. Derfor er næsten alt muligt i en sådan bizar verden inklusive teleportering. Hvordan forstå alt dette? Stedet at starte er kvanteindvikling.
Hvad er kvanteindvikling?
Nogle gange viser to kvantepartikler sig at være spejlbundet. Uanset hvad der sker med en af disse partikler, vil det samme ske med den anden. Selvom de er adskilt af store afstande. De er stadig to separate objekter, men de er identiske i alt. Når to partikler deler deres tilstande, kaldes sådanne partikler viklet ind.
”Antag, at jeg skabte et par sammenfiltrede fotoner,” forklarer Polzik.
Salgsfremmende video:
”Jeg beholder den ene og sender den anden med en laser til en satellit i kredsløb i håb om, at fotonet når sin destination. Teleportering kan kun betragtes som vellykket, når tofoton-sammenfiltringsstatus er adskilt mellem de sendende og modtagende stationer."
Den største tekniske vanskelighed ved teleporteringsprocessen ligger i overførslen af en foton til en vis afstand fra den sammenfiltrede partnerpartikel. I tilfælde af det kinesiske eksperiment var den ene foton i et laboratorium på jorden, og den anden blev med succes sendt til en satellit, der kredser om. De ændringer, der er sket med fotonet på Jorden som en del af forskernes manipulationer, har også påvirket fotonet i rummet - dette er kvante teleportering i sin reneste form.
Hvordan forstå, om satellitten modtog den ønskede foton og ikke en tilfældig lyspartikel?
Dette er relativt let at gøre takket være en proces kaldet spektralfiltrering. Det giver forskere mulighed for at identificere og spore individuelle lysfotoner ved at mærke dem med et unikt identifikationsnummer.
”Du kender frekvensen af det foton, du sender, du kender dets retningsbestemmelse. Satellitten er rettet mod afsendelseskilden på Jorden. Hvis du har meget godt optisk udstyr på begge sider, så ser disse optikker kun kilden og intet andet,”fortsætter Polzik.
Den spektrale filtreringsmetode er ligeglad med “støj” i form af andre fotoner. For eksempel i det samme eksperiment på De Kanariske Øer blev transmissionen udført under klar solrig himmel.
Der blev overført millioner af fotoner til satellitten, men kun 900 nåede destinationen. Hvorfor?
Jo længere du forsøger at sende den sammenfiltrede foton, jo mindre effektiv bliver denne proces. Desuden er Jordens atmosfære i konstant bevægelse, så det er let at miste fotoner på vej ind i det ydre rum.
”Selvom der ikke var nogen atmosfære, skal du stadig fokusere lysstrålen, så den er rettet mod satellitten. Hvis du skinner en laserpeger på din håndflade, vil lyspunktet være lille, men hvis du bare fjerner laseren, bliver punktet større - det er loven om diffraktion,”siger Polzik.
Fra jorden er det ret vanskeligt for lys at bryde igennem til rummet (til en optisk modtager installeret på en satellit i kredsløb). Det forvrænges meget, så de fleste af fotoner går bare ingen steder.
”Vellykket teleportering kan kun opnås over en meget kort periode. Generelt er dette meget upraktisk, men ikke desto mindre kan man finde måder at bruge denne teknologi på,”fortsætter Polzik.
Er kvante teleportering en øjeblikkelig overførsel af data?
Ikke rigtig. Teleporterbare objekter forsvinder ikke og dukker derefter op igen et andet sted. Forskere bruger vikling til at overføre information om kvantetilstanden for en foton til en anden. Uden disse oplysninger skal fotonet fysisk dække hele afstanden mellem transmitter og modtager. Igen transmitteres information ikke med det samme. Dette er kun muligt, når afsenderen måler kvantetilstanden for hans foton og derved ændrer fotonens tilstand ved modtageren. På grund af kvanteindvikling bliver i det væsentlige en foton en anden foton.
Så hvad er alt dette til?
Kvante teleportering er i stand til at bevise begrebet muligheden for at skabe et ultra-sikkert verdenskommunikationsnetværk. Som en nøgle, der åbner en lås, når en meddelelse, der transmitteres over et kvantenetværk, kun den adressat, der besidder den korrekt sammenfiltrede foton, som gør det muligt at modtage og læse denne besked.
Albert Einstein kaldte engang kvanteindvikling for "uhyggelig langtrækkende handling", men den langtrækkende handling er den grundlæggende komponent, der får alt til at fungere. Og en dag kan han blive drivkraften for vores sikre kommunikation i fremtiden.
Nikolay Khizhnyak
