Fizikas profesors Nīla Boha institūtā Kopenhāgenā, viens no kvantu teleportācijas pionieriem Jevgeņijs Polzik, RIA Novosti skaidroja, kur robeža atrodas starp “reālo” un “kvantu” pasauli, kāpēc cilvēku nevar teleportēt un kā viņam izdevās radīt matēriju ar “negatīvu masu”.
Pirms pieciem gadiem viņa komanda pirmo reizi īstenoja eksperimentu, lai teleportētu nevis vienu gaismas atomu vai daļiņu, bet gan makroskopisku objektu.
Nesen viņš vadīja Krievijas Kvantu centra (RQC) starptautisko konsultatīvo padomi, aizstājot Mihailu Lukinu - viena no lielākajiem kvantu datoriem pasaulē un pasaules kvantu skaitļošanas līderi. Pēc profesora Polzik teiktā, viņš koncentrēsies uz jauno krievu zinātnieku intelektuālā potenciāla attīstību un realizēšanu un starptautiskās līdzdalības stiprināšanu RSP darbā.
Eugene, vai cilvēce kādreiz varēs teleportēt vairāk nekā atsevišķas daļiņas vai atomu kolekciju vai citus makroskopiskus objektus?
- Jums nav ne mazākās nojausmas, cik bieži man uzdod šo jautājumu - paldies, ka nepajautājāt man, vai ir iespējams cilvēku teleportēt. Ļoti vispārīgi runājot, situācija ir šāda.
Visums ir gigantisks objekts, kas ir iepinies kvantu līmenī. Problēma ir tā, ka mēs nespējam "redzēt" visas šī objekta brīvības pakāpes. Ja mēs šādā sistēmā uzņemam lielu objektu un mēģinām to apsvērt, tad šī objekta mijiedarbība ar citām pasaules daļām radīs to, ko sauc par “jauktu stāvokli”, kurā nav nekādu sapinumu.
Tā sauktais monogāmijas princips darbojas kvantu pasaulē. Tas tiek izteikts faktā, ka, ja mums ir divi ideāli iepinušies objekti, tad tiem abiem nevar būt tikpat spēcīgi "neredzami savienojumi" ar citiem apkārtējās pasaules objektiem, kā viens otram.
Eižens Poliks, Nīderlandes Boha institūta Kopenhāgenā profesors un RCC starptautiskās konsultatīvās padomes vadītājs. Foto: RCC.
Reklāmas video:
Atgriežoties pie jautājuma par kvantu teleportāciju, tas nozīmē, ka principā nekas neliedz mums sajaukt un teleportēt objektu, kas ir vismaz visa Visuma izmērs, bet praksē tas mums liegs redzēt visus šos savienojumus vienlaikus. Tāpēc, veicot šādus eksperimentus, mums ir jāizdala makro objekti no pārējās pasaules un jāļauj tiem mijiedarboties tikai ar “nepieciešamajiem” objektiem.
Piemēram, mūsu eksperimentos to bija iespējams izdarīt mākonim, kas satur triljonu atomu, sakarā ar to, ka tie atradās vakuumā un tika turēti speciālā slazdā, kas tos izolēja no ārpasaules. Šīs kameras, starp citu, tika izstrādātas Krievijā - Mihaila Balabasa laboratorijā Sanktpēterburgas Valsts universitātē.
Vēlāk mēs pārgājām uz eksperimentiem ar lielākiem objektiem, kurus var redzēt ar neapbruņotu aci. Un tagad mēs veicam eksperimentu par vibrāciju teleportāciju, kas rodas plānās membrānās no dielektriskiem materiāliem, kuru izmērs ir milimetrs pēc milimetra.
Tagad, no otras puses, mani personīgi vairāk interesē citas kvantu fizikas jomas, kurās, man šķiet, tuvākajā laikā notiks reāli atklājumi. Viņi noteikti pārsteigs visus.
Kur tieši?
- Mēs visi labi zinām, ka kvantu mehānika neļauj mums uzzināt visu, kas notiek apkārtējā pasaulē. Heizenberga nenoteiktības principa dēļ mēs nevaram vienlaicīgi izmērīt visas objektu īpašības ar visaugstāko iespējamo precizitāti. Un šajā gadījumā teleportācija pārvēršas par rīku, kas ļauj mums apiet šo ierobežojumu, nododot nevis daļēju informāciju par objekta stāvokli, bet visu pašu objektu.
Tie paši kvantu pasaules likumi neļauj mums precīzi izmērīt atomu, elektronu un citu daļiņu kustības trajektoriju, jo ir iespējams uzzināt vai nu precīzu to kustības ātrumu, vai pozīciju. Praksē tas nozīmē, ka visu veidu spiediena, kustības un paātrinājuma sensoru precizitāti stingri ierobežo kvantu mehānika.
Nesen mēs sapratām, ka tas ne vienmēr notiek: viss ir atkarīgs no tā, ko mēs domājam ar "ātrumu" un "pozīciju". Piemēram, ja šādu mērījumu laikā mēs izmantojam nevis klasiskās koordinātu sistēmas, bet gan to kvantu ekvivalentus, tad šīs problēmas izzudīs.
Citiem vārdiem sakot, klasiskajā sistēmā mēs cenšamies noteikt konkrētas daļiņas novietojumu attiecībā pret, rupji runājot, uz galdu, krēslu vai kādu citu atskaites punktu. Kvantu koordinātu sistēmā nulle būs vēl viens kvantu objekts, ar kuru mijiedarbojas mūs interesējošā sistēma.
Izrādījās, ka kvantu mehānika ļauj izmērīt abus parametrus - gan kustības ātrumu, gan trajektoriju - ar bezgala augstu precizitāti noteiktai atskaites punkta īpašību kombinācijai. Kāda ir šī kombinācija? Atomu mākonim, kas kalpo kā kvantu koordinātu sistēmas nulle, jābūt ar faktisko negatīvo masu.
Faktiski, protams, šiem atomiem nav "svara problēmu", taču viņi uzvedas tā, it kā tiem būtu negatīva masa, sakarā ar to, ka tie atrodas īpašā veidā viens pret otru un atrodas īpaša magnētiskā lauka iekšpusē. Mūsu gadījumā tas noved pie tā, ka daļiņas paātrinājums samazinās, bet nepalielinās tā enerģiju, kas no klasiskās kodolfizikas viedokļa ir absurds.
Tas palīdz mums atbrīvoties no nejaušām izmaiņām daļiņu stāvoklī vai to kustības ātrumā, kas notiek, kad mēra to īpašības, izmantojot lāzerus vai citus fotonu avotus. Ja šī starojuma ceļā ievietosim atomu mākoni ar “negatīvu masu”, tad tas vispirms ar tiem mijiedarbosies, tad tas lidos cauri pētāmajam objektam, šie nejaušie traucējumi viens otru novērš, un mēs visus parametrus varēsim izmērīt ar bezgala augstu precizitāti.
Tas viss ir tālu no teorijas - pirms dažiem mēnešiem mēs jau eksperimentāli pārbaudījām šīs idejas un publicējām rezultātu žurnālā Nature.
Vai tam ir kāds praktisks pielietojums?
- Pirms gada es jau teicu, runājot Maskavā, ka līdzīgu principu kvantu nenoteiktības "noņemšanai" var izmantot, lai uzlabotu LIGO un citu gravitācijas observatoriju darba precizitāti.
Tad tā bija tikai ideja, bet tagad tā ir sākusi veidoties. Mēs strādājam pie tā ieviešanas kopā ar vienu no kvantu mērījumu pionieriem un LIGO projekta dalībnieku, profesoru Faridu Khalili no RCC un Maskavas Valsts universitātes.
Protams, mēs nerunājam par šādas sistēmas uzstādīšanu pašā detektorā - tas ir ļoti sarežģīts un laikietilpīgs process, un arī pašai LIGO ir plāni, pie kuriem mēs vienkārši nevaram iekļūt. No otras puses, viņi jau interesējas par mūsu idejām un ir gatavi uzklausīt mūs tālāk.
Jebkurā gadījumā jums vispirms jāizveido funkcionējošs šādas instalācijas prototips, kas parādīs, ka mēs tiešām varam pārkāpt robežu mērījumu precizitātē, ko nosaka Heizenberga nenoteiktības princips un citi kvantu pasaules likumi.
Pirmos šāda veida eksperimentus mēs veiksim ar desmit metru interferometru Hanoverē, mazāku LIGO eksemplāru. Tagad mēs saliekam visus šai sistēmai nepieciešamos komponentus, ieskaitot statīvu, gaismas avotus un atomu mākoni. Ja mums izdodas, tad esmu pārliecināts, ka mūsu amerikāņu kolēģi mūs uzklausīs - pagaidām nav citu iespēju, kā iziet no kvantu robežas.
Vai deterministisko kvantu teoriju piekritēji, kuri uzskata, ka iespējas kvantu pasaulē neeksistē, uzskatīs šādus eksperimentus par pierādījumu viņu ideju pareizībai?
- Godīgi sakot, es nezinu, ko viņi par to domā. Nākamgad Kopenhāgenā mēs organizējam konferenci par robežām starp klasisko un kvantu fiziku un līdzīgiem filozofiskiem jautājumiem, un viņi var apmeklēt, ja vēlas prezentēt savu redzējumu par šo problēmu.
Es pats ievēroju klasisko Kopenhāgenas kvantu mehānikas interpretāciju un atzīstu, ka viļņu funkcijas nav ierobežotas pēc lieluma. Pagaidām mēs neredzam pazīmes, ka tās noteikumi kaut kur tiek pārkāpti vai ir pretrunā ar praksi.
Krievijas Kvantu centra Kvantu optikas laboratorija. Foto: RCC.
Pēdējos gados fiziķi ir veikuši neskaitāmus Bella nevienlīdzības un Einšteina-Podoļska-Roņa paradoksa testus, kas pilnībā izslēdz iespēju, ka objektu uzvedību kvantu līmenī var kontrolēt ar dažiem slēptiem mainīgajiem vai citām lietām, kas neietilpst klasiskās kvantu teorijas darbības jomā.
Piemēram, pirms dažiem mēnešiem notika vēl viens eksperiments, kas aizvēra visus iespējamos “caurumus” Bella vienādojumos, kurus izmantoja slēptās mainīgās vērtības teorijas piekritēji. Pārfrāzējot Nīlu Bohu un Ričardu Feinmanu, mēs varam tikai “aizvērties un eksperimentēt”: man šķiet, ka mums vajadzētu sev uzdot tikai tos jautājumus, uz kuriem var atbildēt ar eksperimentu palīdzību.
Ja atgriezīsimies pie kvantu teleportācijas - ņemot vērā jūsu aprakstītās problēmas: vai tā atradīs pielietojumu kvantu datoros, sakaru satelītos un citās sistēmās?
- Esmu pārliecināts, ka kvantu tehnoloģijas arvien vairāk iekļūs sakaru sistēmās, un tās ātri ienāks mūsu ikdienas dzīvē. Cik precīzi, vēl nav skaidrs - informāciju, piemēram, var pārraidīt gan ar teleportācijas palīdzību, gan caur parastajām optiskās šķiedras līnijām, izmantojot kvantu atslēgu izplatīšanas sistēmas.
Savukārt kvantu atmiņa, es ticu, arī pēc laika kļūs par realitāti. Vismaz būs nepieciešams izveidot atkārtotājus kvantu signāliem un sistēmām. No otras puses, ir grūti paredzēt, kā un kad tas viss tiks īstenots.
Agrāk vai vēlāk kvantu teleportācija kļūs nevis par eksotiku, bet par ikdienas lietu, kuru var izmantot ikviens. Protams, mēs diez vai redzēsim šo procesu, bet tā darba rezultātiem, ieskaitot drošus datu pārraides tīklus un satelīta sakaru sistēmas, būs milzīga loma mūsu dzīvē.
Cik tālu kvantu tehnoloģijas iespiedīsies citās zinātnes un dzīves sfērās, kas nav saistītas ar IT vai fiziku?
- Šis ir labs jautājums, uz kuru ir vēl grūtāk atbildēt. Kad parādījās pirmie tranzistori, daudzi zinātnieki uzskatīja, ka tos atradīs tikai dzirdes aparātos. Tas ir noticis, lai gan tagad šādā veidā tiek izmantota tikai ļoti maza pusvadītāju ierīču daļa.
Neskatoties uz to, man šķiet, ka kvantu izrāviens patiešām notiks, bet ne visur. Piemēram, visi sīkrīki un ierīces, kas mijiedarbojas ar vidi un kaut kā mēra tās īpašības, neizbēgami sasniegs kvantu robežu, par kuru mēs jau runājām. Un mūsu tehnoloģijas palīdzēs viņiem apiet šo robežu vai vismaz samazināt traucējumus.
Turklāt mēs jau esam atrisinājuši vienu no šīm problēmām, izmantojot to pašu “negatīvās masas” pieeju, uzlabojot kvantu magnētiskā lauka sensorus. Šādas ierīces var atrast ļoti specifiskus biomedicīnas pielietojumus - tās var izmantot, lai uzraudzītu sirds un smadzeņu darbu, novērtējot sirdslēkmes iespējas un citas problēmas.
Mani kolēģi no RSP rīkojas kaut kas līdzīgs. Tagad mēs kopā apspriežam sasniegto, mēģinot apvienot savu pieeju un iegūt kaut ko interesantāku.