Pagājušajā mēnesī uzreiz notika divi interesanti notikumi kvantu tehnoloģiju jomā: ķīniešu zinātnieki teleportēja gaismas fotonus no zemes stacijas uz kosmosa pavadoni, un Maskavā notika ikgadēja vadošo kvantu fizikas ekspertu konference. Business Insider spēja notvert Dr Jevgeņiju Polziku no Nīla Bora institūta, vienu no vadošajiem kvantu teleportācijas ekspertiem, un iztaujāja viņu par dažādiem jautājumiem, tostarp par izcilajiem Ķīnas kolēģu panākumiem.
"Šāda veida teleportācijas laboratorijas apstākļos tiek veiktas kopš 1997. gada, taču Ķīnas zinātniekiem ir izdevies panākt šo apbrīnojamo tehnoloģisko efektu lielā attālumā," sacīja Polziks.
2012. gadā Eiropas zinātnieku komanda veiksmīgi teleportēja fotonus starp abām Kanāriju salām. Attālums starp raidošo un uztverošo ierīci bija 141 kilometrs. Ķīniešu pētniekiem izdevās pārspēt šo rekordu jūlijā, kad viņi veiksmīgi teleportēja fotonus 500 kilometru attālumā.
Mēs jau sen esam sapņojuši par šādu tehnoloģiju no Star Trek, lai gan mūsu intuīcija vienmēr ir teikusi, ka teleportācija principā nav iespējama. Tomēr mūsu reālās pasaules fizikai, kurā mēs dzīvojam katru dienu, ir maz līdzības ar kvantu pasaules fiziku. Šeit no klints sejas krītošā akmens likumi un vadošie elektroni un atsevišķi gaismas fotoni ir pilnīgi atšķirīgi no tā, ko mēs esam pieraduši redzēt. Tāpēc šādā dīvainā pasaulē ir iespējams gandrīz viss, ieskaitot teleportāciju. Kā to visu saprast? Mēs sākam ar kvantu sapīšanos.
Kas ir kvantu sapīšanās?
Dažreiz divas kvantu daļiņas izrādās saistītas ar spoguli. Lai kas notiktu ar vienu no šīm daļiņām, tas pats notiks ar otru. Pat ja tos šķir lieli attālumi. Tie joprojām ir divi atsevišķi objekti, taču tie ir identiski visā. Kad divas daļiņas savā starpā dalās ar saviem stāvokļiem, tad šādas daļiņas sauc par sapinušām.
"Pieņemsim, ka es izveidoju sapinušos fotonu pāri," paskaidro Polzik.
Reklāmas video:
“Es paturu vienu, bet otru ar lāzeru sūtu uz orbītā esošo kosmosa satelītu, cerot, ka fotons sasniegs galamērķi. Teleportāciju var uzskatīt par veiksmīgu tikai tad, ja divu fotonu sapīšanās stāvoklis ir nodalīts starp raidošo un uztverošo staciju."
Galvenās teleportācijas procesa tehniskās grūtības ir fotona pārvietošana noteiktā attālumā no sapinušās partnera daļiņas. Ķīniešu eksperimenta gadījumā viens fotons atradās laboratorijā uz Zemes, un otrais tika veiksmīgi nosūtīts uz orbītā esošo satelītu. Izmaiņas, kas ar fotonu uz Zemes notikušas kā daļa no zinātnieku manipulācijām, ir ietekmējušas arī fotonu kosmosā - tā ir kvantu teleportācija tīrākajā formā.
Kā saprast, vai satelīts saņēma vēlamo fotonu, nevis kādu nejaušu gaismas daļiņu?
Tas ir salīdzinoši viegli izdarāms, pateicoties procesam, ko sauc par spektrālo filtrēšanu. Tas ļauj zinātniekiem identificēt un izsekot atsevišķus gaismas fotonus, marķējot tos ar unikālu identifikācijas numuru.
“Jūs zināt sūtītā fotona biežumu, zināt tā virzienu. Satelīts ir vērsts uz nosūtīšanas avotu, kas atrodas uz Zemes. Ja jums abās pusēs ir ļoti labs optiskais aprīkojums, tad šī optika redz tikai avotu un neko citu,”turpina Polziks.
Spektrālā filtrēšanas metode ir vienaldzīga pret “troksni” citu fotonu formā. Piemēram, tajā pašā eksperimentā Kanāriju salās pārraide tika veikta zem skaidrām saulainām debesīm.
Uz satelītu notika miljonu fotonu pārsūtīšana, bet galamērķi sasniedza tikai 900. Kāpēc?
Jo tālāk jūs mēģināt nosūtīt sapinušos fotonu, jo šis process kļūst mazāk efektīvs. Turklāt Zemes atmosfēra atrodas pastāvīgā kustībā, tāpēc ir viegli zaudēt fotonus ceļā uz kosmosu.
“Pat ja atmosfēras nebija, jums tomēr ir jākoncentrē gaismas stars tā, lai tas būtu vērsts uz satelītu. Ja jūs atspīdat lāzera rādītāju uz plaukstas, gaismas punkts būs mazs, bet, ja jūs vienkārši noņemat lāzeru, punkts kļūst lielāks - tas ir difrakcijas likums,”saka Polziks.
No zemes gaismai ir diezgan grūti iekļūt kosmosā (līdz optiskajam uztvērējam, kas uzstādīts orbītā esošajā satelītā). Tas ļoti kropļo, tāpēc lielākā daļa fotonu vienkārši nekur nepazūd.
“Veiksmīgu teleportāciju var panākt tikai ļoti īsā laika posmā. Vispārīgā nozīmē tas ir ļoti nepraktiski, taču tomēr var atrast šīs tehnoloģijas izmantošanas veidus,”turpina Polziks.
Vai kvantu teleportācija ir tūlītēja datu pārsūtīšana?
Ne īsti. Teleportējami objekti nepazūd un pēc tam atkal parādās kaut kur citur. Zinātnieki izmanto sapīšanos, lai pārsūtītu informāciju par viena fotona kvantu stāvokli citam. Bez šīs informācijas fotonam būs fiziski jāpārvar viss attālums starp raidītāju un uztvērēju. Atkal, informācija netiek pārsūtīta uzreiz. Tas ir iespējams tikai tad, kad sūtītājs mēra sava fotona kvantu stāvokli, tādējādi mainot fotona stāvokli uztvērējā. Kvantu sapīšanās dēļ būtībā viens fotons "kļūst" par citu fotonu.
Tad kam tas viss domāts?
Kvantu teleportācija spēj pierādīt koncepciju par iespēju izveidot īpaši drošu pasaules sakaru tīklu. Tāpat kā atslēga, kas atver slēdzeni, kvantu tīklā pārsūtītais ziņojums nonāks tikai pie adresāta, kura rīcībā ir pareizi sapinies fotons, kas ļaus saņemt un izlasīt šo ziņojumu.
Kādreiz Alberts Einšteins kvantu sapinšanos nosauca par "spocīgu tālsatiksmes darbību", taču šī tālsatiksmes darbība ir pamatkomponents, kas liek visam darboties. Kādu dienu viņš nākotnē var kļūt par mūsu drošas saziņas virzītājspēku.
Nikolajs Hizhnyak