A koppenhágai Niels Bohr Intézet fizikai professzora, a kvantum-teleportáció egyik úttörője, Eugene Polzik elmagyarázta a RIA Novosti számára, hogy hol van a határ az „igazi” és a „kvantum” világ között, miért nem lehet az ember teleportálni, és hogyan sikerült „negatív tömeggel” létrehozni az anyagot.
Öt évvel ezelőtt csapata először kísérletet hajtott végre nem egyetlen fény atom vagy részecske, hanem egy makroszkopikus tárgy teleportálására.
Nemrégiben az Orosz Kvantum Központ (RQC) nemzetközi tanácsadó testületének elnöke volt, helyettesítve Mikhail Lukint, a világ egyik legnagyobb kvantumszámítógépének alkotóját és a kvantumszámítás világvezetőjét. Polzik professzor szerint a fiatal orosz tudósok szellemi potenciáljának fejlesztésére és kiaknázására, valamint a nemzetközi részvétel megerősítésére fog összpontosítani.
„Eugene, képes-e az emberiség valaha több részecskére vagy atomok gyűjteményére vagy más makroszkopikus tárgyakra teleportálni?
- Fogalmad sincs, hányszor teszem fel ezt a kérdést - köszönöm, hogy nem kérdezte tőlem, hogy lehetséges-e egy személy teleportálása. Általánosságban a helyzet a következő.
Az univerzum egy hatalmas tárgy, kvantumszinten összefonódva. A probléma az, hogy nem képesek "látni" az objektum összes szabadságfokát. Ha egy nagy objektumot veszünk egy ilyen rendszerbe, és megpróbáljuk megfontolni, akkor ennek a tárgynak a világ más részeivel való interakciója olyan vegyes állapotnak nevezik, amelyben nincs összefonódás.
A monogámia úgynevezett elve a kvantumvilágban működik. Ez abban a tényben fejeződik ki, hogy ha két ideálisan összefonódott tárgyunk van, akkor mindkettőnek nem lehet ugyanolyan erős "láthatatlan kapcsolata" a környező világ többi objektumával, mint egymással.
Eugene Polzik, a koppenhágai Niels Bohr Intézet professzora és az RCC nemzetközi tanácsadó testületének vezetője. Fotó: RCC.
Promóciós videó:
Visszatérve a kvantum-teleportálás kérdéséhez, ez azt jelenti, hogy elvileg semmi sem akadályozza meg, hogy legalább egy egész Univerzum méretű tárgyat összekeverjünk és teleportáljunk, de a gyakorlatban ez megakadályozza, hogy ezeket a kapcsolatokat egyszerre látjuk. Ezért el kell különíteni a makroobjektumokat a világ többi részétől, amikor ilyen kísérleteket folytatunk, és hagyjuk, hogy csak a „szükséges” objektumokkal lépjenek kapcsolatba.
Kísérleteinkben például ezt sikerült elérni egy billió atomot tartalmazó felhő esetében, mivel vákuumban voltak, és olyan speciális csapdában tartottak, amely elkülönítette őket a külvilágtól. Ezeket a fényképezőgépeket egyébként Oroszországban fejlesztették ki - Mihail Balabas laboratóriumában a Szentpétervári Állami Egyetemen.
Később a szabad szemmel látható objektumokkal kapcsolatos kísérletekre indultunk. És most egy kísérletet folytatunk a dielektromos anyagokból készült vékony membránokban fellépő rezgések teleportációjáról, milliméter milliméterrel mérve.
Most viszont személy szerint jobban érdekel a kvantumfizika más területei, amelyekben számomra valószínűleg áttörések történnek a közeljövőben. Minden bizonnyal meglepni fognak.
Pontosan hol?
- Mindannyian jól tudjuk, hogy a kvantummechanika nem engedi megismerni mindazt, ami a körülöttünk lévő világban történik. A Heisenberg-bizonytalanság elve miatt nem lehet egyszerre mérni a tárgyak összes tulajdonságát a lehető legnagyobb pontossággal. És ebben az esetben a teleportálás olyan eszközzé válik, amely lehetővé teszi számunkra, hogy megkerüljük ezt a korlátozást, és ne az objektum állapotáról, hanem az egész tárgyról készítsünk részleges információkat.
Ugyanezek a kvantumvilág-törvények akadályozzák meg, hogy pontosan mérjük az atomok, elektronok és más részecskék mozgási pályáját, mivel meg lehet határozni mozgásuk pontos sebességét vagy helyzetét. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a kvantummechanika szigorúan korlátozza az összes nyomás-, mozgás- és gyorsulásérzékelő pontosságát.
Nemrég rájöttünk, hogy nem mindig ez a helyzet: minden attól függ, hogy mit értünk a "sebesség" és a "helyzet" alatt. Például, ha ilyen mérések során nem klasszikus koordinátarendszereket, hanem kvantum-analógjainkat használjuk, akkor ezek a problémák megszűnnek.
Más szavakkal, a klasszikus rendszerben megpróbáljuk meghatározni egy adott részecske helyzetét durván szólva az asztalhoz, székhez vagy más referenciaponthoz viszonyítva. Kvantumkoordináta-rendszerben a nulla egy újabb kvantumobjektum, amellyel a számunkra érdeklő rendszer kölcsönhatásba lép.
Kiderült, hogy a kvantummechanika mindkét paramétert - mind a mozgás sebességét, mind a pályát - mérheti végtelenül nagy pontossággal a referenciapont tulajdonságainak bizonyos kombinációjára. Mi ez a kombináció? A kvantumkoordináta-rendszer nullaként szolgáló atomfelhőjének tényleges negatív tömeggel kell rendelkeznie.
Valójában természetesen ezeknek az atomoknak nincsenek "súlyproblémáik", de úgy viselkednek, mintha negatív tömegük lenne, annak a ténynek köszönhetően, hogy egymáshoz viszonyítva különleges módon helyezkednek el és egy speciális mágneses mezőben vannak. A mi esetünkben ez ahhoz vezet, hogy a részecske gyorsulása csökken, nem pedig növeli energiáját, ami abszurd a klasszikus nukleáris fizika szempontjából.
Ez segít megszabadulni a részecskék helyzetének vagy mozgási sebességének véletlenszerű változásaitól, amelyek akkor fordulnak elő, ha tulajdonságaikat lézerrel vagy más fotonforrással mérjük. Ha a sugár útjába egy "negatív tömegű" atomfelhőt helyezünk, akkor először kölcsönhatásba lép velük, majd repül a vizsgált tárgyon, ezek a véletlenszerű zavarok kiküszöbölik egymást, és minden paramétert végtelen nagy pontossággal meg tudunk mérni.
Mindez távol áll az elmélettől - néhány hónappal ezelőtt már kísérletileg teszteltük ezeket az ötleteket, és az eredményt a Nature folyóiratban tettük közzé.
Van ennek gyakorlati felhasználása?
- Egy évvel ezelőtt már mondtam, Moszkvában beszélve, hogy a kvantum-bizonytalanság „eltávolításának” hasonló elve felhasználható a LIGO és más gravitációs obszervatóriumok munkájának pontosságának javítására.
Akkor ez csak egy ötlet volt, de most kezd kialakulni. A kvantummérések egyik úttörőjével és a LIGO projekt egyik résztvevőjével, Farid Khalili professzorral, az RCC és a Moszkvai Állami Egyetemen együtt dolgozunk a megvalósításán.
Természetesen nem arról beszélünk, hogy egy ilyen rendszert maga az érzékelőre telepítünk - ez egy nagyon bonyolult és időigényes folyamat, és maga a LIGO tervei vannak, amelyekbe egyszerűen nem tudunk belejutni. Másrészt már érdekli az ötleteink és készen állnak arra, hogy tovább hallgassanak ránk.
Mindenesetre először el kell készítenie egy ilyen berendezés működő prototípusát, amely megmutatja, hogy valóban átléphetünk a határon a Heisenberg bizonytalanság elve és a kvantum világ más törvényei által előírt mérési pontosságban.
Az első ilyen kísérleteket egy tíz méteres interferométeren hajtjuk végre Hannoverben, a LIGO kisebb példányában. Összeszereltük a rendszerhez szükséges összes alkatrészt, beleértve az állványt, a fényforrásokat és az atomfelhőt. Ha sikerrel jár, akkor biztos vagyok benne, hogy amerikai kollégáink meghallgatnak bennünket - a kvantumkorlát megkerülésére még nincs más módszer.
A determinisztikus kvantumelméletek támogatói, akik úgy vélik, hogy a kvantum világában nincsenek esélyek, úgy fogják-e mérlegelni az ilyen kísérleteket ötleteik helyességének igazolására?
- Hogy őszinte legyek, nem tudom, mit gondolnak erről. Jövőre konferenciát szervezünk Koppenhágában a klasszikus és a kvantumfizika és a hasonló filozófiai kérdések közötti határokról, és részt vehetnek abban, ha szeretnék bemutatni a problémáról alkotott képüket.
Magam is betartom a kvantummechanika klasszikus koppenhágai értelmezését, és beismerem, hogy a hullámfunkciók mérete nem korlátozott. Eddig nem látunk jeleket arra, hogy annak rendelkezéseit valahol megsértenék, vagy ellentétes lenne a gyakorlattal.
Az Orosz Kvantum Központ kvantumoptikai laboratóriuma. Fotó: RCC.
Az utóbbi években a fizikusok számtalan tesztet végeztek Bell egyenlőtlenségeire és az Einstein-Podolski-Rosen paradoxonra, amelyek teljes mértékben kizárják annak lehetőségét, hogy a rejtett változók vagy más dolgok a klasszikus kvantumelmélet hatókörén kívül szabályozzák az objektumok viselkedését kvantum szinten.
Például néhány hónappal ezelőtt volt egy másik kísérlet, amely bezárta az összes lehetséges „lyukat” Bell egyenleteiben, amelyeket a rejtett változók elméletének támogatói használtak. Niels Bohr és Richard Feynman parafrazálására csak „becsukódhatunk és kísérletezhetünk”: számomra úgy tűnik, hogy csak azokat a kérdéseket kellene feltennünk magunknak, amelyekre kísérletekkel lehet válaszolni.
Ha visszatérünk a kvantum-teleportáláshoz - tekintettel az Ön által leírt problémákra: alkalmazást fog találni kvantum-számítógépekben, kommunikációs műholdakban és más rendszerekben?
- Biztos vagyok abban, hogy a kvantumtechnológiák egyre inkább behatolnak a kommunikációs rendszerekbe, és gyorsan bekerülnek mindennapi életünkbe. Pontosan miért még nem egyértelmű - például az információkat teleportáción keresztül és rendes száloptikai vonalakon keresztül is továbbíthatjuk kvantumkulcs-elosztó rendszerek segítségével.
A kvantummemória viszont azt hiszem, egy idő múlva szintén valósággá válik. Legalább a kvantumjelek és rendszerek megismétlőinek létrehozására lesz szükség. Másrészt nehéz megjósolni, hogy ezt miként és mikor hajtják végre.
Előbb vagy utóbb a kvantum-teleportálás nem lesz egzotikus, hanem mindennapi dolog, amelyet mindenki használhat. Természetesen nem valószínű, hogy látjuk ezt a folyamatot, de munkájának eredményei, beleértve a biztonságos adatátviteli hálózatokat és a műholdas kommunikációs rendszereket, óriási szerepet fognak játszani életünkben.
Mennyire hatol a kvantumtechnológia a tudomány és az élet más olyan területeire, amelyek nem kapcsolódnak az informatikához vagy a fizikához?
- Ez egy jó kérdés, amelyet még nehezebb megválaszolni. Az első tranzisztorok megjelenésekor sok tudós hitte, hogy csak hallókészülékekben fogják használni. Ez történt, bár manapság a félvezető eszközöknek csak nagyon kis részét használják ilyen módon.
Mindazonáltal számomra úgy tűnik, hogy kvantum áttörés történik, de nem mindenhol. Például minden olyan eszköz és eszköz, amely kölcsönhatásba lép a környezettel és valamilyen módon megmérje annak tulajdonságait, elkerülhetetlenül eléri a kvantumhatárt, amelyet már tárgyaltunk. És technológiáink segítenek nekik megkerülni ezt a határt, vagy legalábbis minimalizálják az interferenciát.
Sőt, már megoldottuk ezen problémák egyikét ugyanazon „negatív tömeg” megközelítéssel, javítva a kvantummágneses mező érzékelőit. Az ilyen eszközök nagyon specifikus orvosbiológiai alkalmazásokat találnak - felhasználhatók a szív és az agy munkájának megfigyelésére, felbecsülve a szívroham esélyeit és más problémákat.
Az RCC kollégáim valami hasonlót csinálnak. Most együtt tárgyaljuk az elért eredményeket, megpróbáljuk egyesíteni megközelítéseinket és valami érdekesebbet szerezni.