Kvantvärlden strider ofta mot sunt förnuft. Nobelpristagaren Richard Feynman sa en gång: "Jag tror att jag säkert kan säga att ingen förstår kvantmekanik." Kvanteteleportering är bara ett av dessa konstiga och till synes ologiska fenomen.
Under 2017 teleporterade forskare från Kina föremålet i det yttre rymden. Det var inte en man, inte en hund eller ens en molekyl. Det var en foton. Eller snarare information som beskriver en specifik foton. Men varför kallas detta teleportering?
Sammanfattningen är att kvantteleportering har lite att göra med teleportering som sådan. Snarare handlar det om att skapa ett internet som inte kan hackas. Men innan vi går direkt till denna fråga, låt oss prata om en paradox.
Den lysande fysikern och författaren till Special and General Theories of Relativity, Albert Einstein, ansåg kvantmekanik för att vara en bristfällig teori. 1935 skrev han tillsammans med fysikerna Boris Podolsky och Nathan Rosen en artikel där han definierade en paradox som ställer tvivel om nästan allt i samband med kvantmekanik - EPR-paradoxen.
Kvantmekanik är vetenskapen om de minsta aspekterna av universum: atomer, elektroner, kvarkar, fotoner och så vidare. Det avslöjar paradoxala och ibland motstridiga aspekter av den fysiska verkligheten. En sådan aspekt är det faktum att genom att mäta en partikel "ändrar" du den. Detta fenomen kallades så småningom observatörens effekt: mätningen av ett fenomen påverkar det irreparabelt.
Schematisk beskrivning av en experimentell uppsättning för teleportering av en foton till rymden / China Academy of Sciences.
För att observera en atom lyser vi ofta på den. Ljusets fotoner interagerar med partikeln och påverkar därmed dess position, vinkelmoment, vridning eller andra egenskaper. I kvantvärlden är det att använda fotoner för att observera en atom liknande det att använda bowlingbollar för att räkna stiften i slutet av en bowlinghall. Som ett resultat är det omöjligt att veta exakt alla partiklarnas egenskaper, eftersom observatören påverkar resultatet i processen att studera den.
Observatöreffekten förväxlas ofta med tanken att medvetande på något sätt kan påverka eller till och med skapa verklighet. Det finns faktiskt inget övernaturligt med denna effekt, eftersom den inte kräver medvetande alls.
Kampanjvideo:
Fotoner som kolliderar med en atom ger samma observatörseffekt oavsett om de rör sig mot den på grund av handlingar från sidan av mänskligt medvetande eller inte. I detta fall är "observera" helt enkelt att interagera.
Vi kan inte vara utanför observatörerna. I kvantsystem tar en person alltid en aktiv del och gör resultaten oskärpa.
Detta var precis vad Albert Einstein inte gillade. För honom indikerade denna inneboende oklarhet en ofullständighet i kvantmekanik som måste elimineras. Forskaren trodde att verkligheten inte kunde vara så opålitlig. Detta är precis vad hans berömda fras hänvisar till: "Gud spelar inte tärningar med universum."
Och ingenting har betonat kvantmekanikens svaghet mer än kvantförvirringens paradox.
Ibland kan partiklar på kvant skala kopplas samman så att de mäter egenskaperna hos en partikel omedelbart påverkar en annan, oavsett hur långt ifrån varandra de är. Detta är kvantförvirring.
Enligt Einsteins relativitetsteori kan ingenting resa snabbare än ljus. Men kvantförvirring verkade bryta denna regel. Om en partikel är förvirrad med en annan, och alla möjliga förändringar som inträffar med en av dem påverkar den andra, måste det finnas någon form av samband mellan dem. Annars, hur kan de påverka varandra? Men om detta sker omedelbart, trots avstånd, måste denna anslutning ske snabbare än ljusets hastighet - därmed själva EPR-paradoxen.
Om du försöker mäta genom vilken slits en elektron passerar under ett experiment med två slitsar får du inte ett interferensmönster. Istället kommer elektroner inte att bete sig som vågor, utan som "klassiska" partiklar.
Einstein kallade detta fenomen för "spöklik handling på avstånd." Hela fältet kvantmekanik verkade honom lika tunn som förutsatt kvantförvirring. Fram till slutet av sitt liv försökte fysikern utan framgång att "plocka upp" teorin, men ingenting kom ut av det. Det var helt enkelt inget att fixa.
Efter Einsteins död bevisades det upprepade gånger att kvantmekanik är korrekt och fungerar, även om den ofta strider mot sunt förnuft. Forskare har bekräftat att kvantförviklingsparadoxen är ett verkligt fenomen, och i allmänhet är det inte en paradox. Trots att intrassling inträffar direkt kan ingen information överföras mellan partiklar snabbare än ljusets hastighet.
Hur förhåller sig allt detta till kvantteleportering? Låt oss komma tillbaka till vårt ämne. Faktum är att information på detta sätt fortfarande kan överföras. Det här är exakt vad forskare från Kina gjorde 2017. Även om det kallas "teleportering" har faktiskt forskare utfört överföringen av information mellan två sammanfiltrade fotoner.
När en laserstråle riktas genom en speciell kristall, intrasslas fotonerna som utsänds av den. Så när en foton mäts i ett intrasslat par, är den andra tillståndet omedelbart känt. Om du använder deras kvanttillstånd som en signalbärare kan information överföras mellan två fotoner. Detta har gjorts tidigare i laboratorier runt om i världen, men aldrig tidigare har denna process skett på ett sådant avstånd.
Kinesiska forskare har skickat en intrasslad foton till en satellit 1400 kilometer över jorden. De förfiltrade sedan fotonen som återstod på planeten med den tredje fotonen, vilket tillät den att skicka sitt kvanttillstånd till fotonen på satelliten, varigenom de effektivt kopierade den tredje fotonen i omloppsbana. Den tredje fotonen överfördes emellertid inte fysiskt till satelliten. Endast information om dess kvanttillstånd överfördes och återställdes.
Så det var inte Star Trek-teleportering. Men det största genombrottet i detta experiment var inte teleportering, utan kommunikation.
Ett kvantinternet baserat på intrasslade partiklar skulle vara nästan omöjligt att hacka. Och allt tack vare observatörseffekten.
Om någon försöker fånga en av dessa kvantöverföringar, i huvudsak, kommer det att vara ett försök att observera partikeln, som - som vi redan vet - kommer att förändra den. En kompromitterad transmission skulle omedelbart vara synlig, eftersom partiklarna upphör att trassla in eller överföringen skulle förstöras fullständigt.
Quantum Internet skulle vara ett nästan 100% säkert kommunikationsnätverk. Utan tillgång till intrasslade partiklar kunde ingen hacka det. Och om någon fick tillgång till en av de intrasslade partiklarna, skulle de omedelbart märka den, eftersom partikeln skulle försvinna, vilket innebär att Internet skulle sluta fungera. Så här kan det vara mer användbart än en fotonteleporteringsenhet.
Forskare var tvungna att göra över en miljon försök att framgångsrikt förvirra drygt 900 partiklar. Eftersom fotoner måste passera genom vår atmosfär, finns det en stor sannolikhet för att de kommer att interagera med andra partiklar, därför kommer att "observeras", eliminera intrassling och slutföra överföringen.
Kvanteteleportering förlorar all information om den ursprungliga partikeln, men skapar en identisk kopia i andra änden / & copy; Jim Al-Khalili / Under kvanteteleportering går all information om den ursprungliga partikeln förlorad, men en identisk kopia skapas i andra änden / Jim Al-Khalili.
Kommer vi en dag - någon gång i en avlägsen framtid - att använda samma teknik för att teleportera stora föremål eller till och med människor? I teorin, ja. Detta skulle förvirra varje partikel i kroppen med samma antal partiklar vid destinationen. Varje tillstånd och position för alla dina partiklar måste skannas och överföras till en annan plats. De väntande partiklarna kommer att förfiltras och acceptera den information som skickas till dem, omedelbart antar ett tillstånd identiskt med de ursprungliga partiklarna. Detta är i huvudsak samma sak som hände med fotoner i det kinesiska experimentet. Den enda skillnaden är att det handlar om varje partikel i kroppen.
Du bör dock inte vara glad. Teleportering är också föremål för observatörseffekten. En skanningsprocess som mäter alla dina partiklar skulle omedelbart förändra dem alla. Det är möjligt att förändringarna var obehagliga för dig, du skulle förvandlas till ett oigenkännligt kvantligt slam. Du skulle upphöra att existera på den ursprungliga punkten och visas på en annan - exakt samma, men med en ny uppsättning partiklar. Men huruvida du förblir dig själv eller inte är en helt annan fråga.
Vladimir Guillen
