Professor i fysik vid Niels Bohr-institutet i Köpenhamn, en av pionjärerna inom kvant-teleportering, Eugene Polzik, förklarade till RIA Novosti där gränsen är mellan de "riktiga" och "kvanta" världarna, varför en person inte kan teleporteras och hur han lyckades skapa materia med "negativ massa".
För fem år sedan implementerade hans team först ett experiment för att teleportera inte en enda atom eller en partikel av ljus, utan ett makroskopiskt objekt.
Han ordnade nyligen ordförande för den internationella rådgivande nämnden för Russian Quantum Center (RQC) och ersatte Mikhail Lukin, skapare av en av världens största kvantdatorer och världsledande inom kvantberäkning. Enligt professor Polzik kommer han att fokusera på att utveckla och förverkliga den intellektuella potentialen hos unga ryska forskare och stärka internationellt deltagande i RCC: s arbete.
”Eugene, kommer mänskligheten någonsin kunna teleportera mer än enstaka partiklar eller en samling atomer eller andra makroskopiska föremål?
- Du har ingen aning om hur ofta jag ställs den här frågan - tack för att du inte frågar mig om det är möjligt att teleportera en person. I mycket allmänna termer är situationen enligt följande.
Universumet är ett gigantiskt objekt som är trasslat in på kvantnivå. Problemet är att vi inte kan "se" alla objektets frihetsgrader. Om vi tar ett stort objekt i ett sådant system och försöker överväga det, kommer interaktionerna mellan detta objekt och andra delar av världen att ge upphov till det som kallas ett "blandat tillstånd" där det inte finns någon förvirring.
Den så kallade principen om monogami verkar i kvantvärlden. Det kommer till uttryck i det faktum att om vi har två idealt sammankopplade föremål, så kan båda av dem inte ha samma starka "osynliga förbindelser" med några andra objekt i den omgivande världen, som med varandra.
Eugene Polzik, professor vid Niels Bohr-institutet i Köpenhamn och chef för RCC: s internationella rådgivande styrelse. Foto: RCC.
Kampanjvideo:
När vi återvänder till frågan om kvantteleportering innebär detta att i princip ingenting hindrar oss från att förvirra och teleportera ett objekt på minst hela universumets storlek, men i praktiken kommer det att förhindra oss att se alla dessa förbindelser samtidigt. Därför måste vi isolera makroobjekt från resten av världen när vi utför sådana experiment och låta dem bara interagera med de "nödvändiga" objekten.
Till exempel i våra experiment var det möjligt att uppnå detta för ett moln som innehöll en biljon atomer, på grund av att de var i ett vakuum och hölls i en speciell fälla som isolerade dem från omvärlden. Dessa kameror utvecklades förresten i Ryssland - i Mikhail Balabas laboratorium vid St Petersburg State University.
Senare gick vi vidare till experiment med större föremål som kan ses med blotta ögat. Och nu genomför vi ett experiment på teleportering av vibrationer som uppstår i tunna membran tillverkade av dielektriska material som mäter millimeter för millimeter.
Nu, å andra sidan, är jag personligen mer intresserad av andra områden inom kvantefysik, där det verkar för mig verkliga genombrott ske inom en snar framtid. De kommer definitivt att överraska alla.
Var exakt?
- Vi vet alla väl att kvantmekanik inte tillåter oss att veta allt som händer i världen omkring oss. På grund av Heisenbergs osäkerhetsprincip kan vi inte samtidigt mäta alla egenskaper hos objekt med högsta möjliga noggrannhet. Och i det här fallet förvandlas teleportering till ett verktyg som gör att vi kan kringgå denna begränsning och inte överföra delvis information om objektets tillstånd utan hela objektet självt.
Samma lagar i kvantvärlden hindrar oss från att noggrant mäta banan för rörelse hos atomer, elektroner och andra partiklar, eftersom det är möjligt att ta reda på antingen den exakta hastigheten för deras rörelse eller deras position. I praktiken innebär detta att noggrannheten för alla typer av tryck-, rörelse- och accelerationssensorer strikt begränsas av kvantmekanik.
Nyligen insåg vi att detta inte alltid är fallet: det beror på vad vi menar med "hastighet" och "position". Till exempel, om vi under sådana mätningar inte använder klassiska koordinatsystem utan deras kvant motsvarigheter, kommer dessa problem att försvinna.
Med andra ord, i det klassiska systemet försöker vi bestämma positionen för en viss partikel relativt grovt sett ett bord, en stol eller någon annan referenspunkt. I ett kvantkoordinatsystem kommer nollan att vara ett annat kvantobjekt som systemet av intresse för oss interagerar med.
Det visade sig att kvantmekanik gör det möjligt att mäta båda parametrarna - både rörelsens hastighet och banan - med oändligt hög noggrannhet för en viss kombination av egenskaper hos referenspunkten. Vad är den här kombinationen? Ett moln med atomer som fungerar som noll för kvantkoordinatsystemet måste ha en effektiv negativ massa.
I själva verket har naturligtvis dessa atomer inte "viktproblem", men de uppträder som om de hade negativ massa på grund av att de är belägna på ett speciellt sätt relativt varandra och befann sig i ett speciellt magnetfält. I vårt fall leder detta till det faktum att partikelns acceleration minskar, men inte ökar dess energi, vilket är absurt ur den klassiska kärnfysikens synvinkel.
Detta hjälper oss att bli av med slumpmässiga förändringar i partiklarnas position eller deras rörelseshastighet som uppstår när vi mäter deras egenskaper med lasrar eller andra fotonkällor. Om vi placerar ett moln med atomer med "negativ massa" i strålens väg, kommer det först att interagera med dem, sedan flyger det genom objektet som studeras, dessa slumpmässiga störningar eliminerar varandra och vi kommer att kunna mäta alla parametrar med oändligt hög noggrannhet.
Allt detta är långt ifrån teori - för några månader sedan testade vi redan dessa idéer experimentellt och publicerade resultatet i tidskriften Nature.
Finns det några praktiska användningsområden för detta?
- För ett år sedan sa jag redan, talande i Moskva, att en liknande princip för att "ta bort" kvantosäkerhet kan användas för att förbättra noggrannheten i LIGOs och andra gravitationsobservatorier.
Då var det bara en idé, men nu har det börjat ta form. Vi arbetar med dess genomförande tillsammans med en av pionjärerna inom kvantmätningar och en deltagare i LIGO-projektet, professor Farid Khalili från RCC och Moskva State University.
Vi talar naturligtvis inte om att installera ett sådant system på själva detektorn - det är en mycket komplicerad och tidskrävande process, och LIGO själv har planer som vi helt enkelt inte kan komma in på. Å andra sidan är de redan intresserade av våra idéer och är redo att lyssna på oss ytterligare.
I alla fall måste du först skapa en fungerande prototyp av en sådan installation, som kommer att visa att vi verkligen kan gå över gränsen i mätnoggrannhet som införts av Heisenbergs osäkerhetsprincip och andra lagar i kvantvärlden.
Vi kommer att genomföra de första experimenten av detta slag på en tio meter stor interferometer i Hannover, en mindre kopia av LIGO. Vi monterar nu alla nödvändiga komponenter för detta system, inklusive ett stativ, ljuskällor och ett moln med atomer. Om vi lyckas är jag säker på att våra amerikanska kollegor lyssnar på oss - det finns inga andra sätt att komma runt kvantgränsen än.
Kommer förespråkarna för deterministiska kvantteorier, som tror att det inte finns chanser i kvantvärlden, att betrakta sådana experiment som bevis på riktigheten i deras idéer?
- För att vara ärlig vet jag inte vad de tycker om det. Nästa år arrangerar vi en konferens i Köpenhamn om gränserna mellan klassisk och kvantfysik och liknande filosofiska frågor, och de kan delta om de vill presentera sin vision om detta problem.
Själv håller jag mig till den klassiska Köpenhamnstolkningen av kvantmekanik, och jag medger att vågfunktioner inte är begränsade i storlek. Hittills ser vi inga tecken på att dess bestämmelser kränks någonstans eller i strid med praxis.
Laboratorium för kvantoptik vid ryska kvantcentret. Foto: RCC.
Under de senaste åren har fysiker utfört otaliga tester av Bells ojämlikheter och Einstein-Podolski-Rosen-paradoxen, som helt utesluter möjligheten att objektets beteende på kvantnivå kan kontrolleras av några dolda variabler eller andra saker utanför klassisk kvantteoris räckvidd.
För några månader sedan fanns det ytterligare ett experiment som stängde alla möjliga "hål" i Bells ekvationer som använts av förespråkare för teorin om dolda variabler. Vi kan bara, för att parafrasera Niels Bohr och Richard Feynman, "hålla käften och experimentera": det verkar för mig att vi bara bör ställa oss själva de frågor som kan besvaras genom experiment.
Om vi går tillbaka till kvantteleportering - med tanke på de problem som du beskrev: hittar den tillämpning i kvantdatorer, kommunikationssatelliter och andra system?
- Jag är säker på att kvantteknologier kommer mer och mer att penetrera kommunikationssystem, och de kommer snabbt in i vårt dagliga liv. Hur exakt ännu inte är klart - information kan till exempel överföras både via teleportering och genom vanliga fiberoptiska linjer med hjälp av distributionssystem för kvantnycklar.
Kvantminne kommer, i sin tur, tror jag också att bli verklighet efter ett tag. Åtminstone kommer det att behövas att skapa repeatrar för kvantsignaler och system. Å andra sidan är det svårt att förutsäga hur och när allt detta kommer att genomföras.
Förr eller senare kommer kvantteleportering inte att bli exotisk, utan en vardag som alla kan använda. Naturligtvis är det osannolikt att vi kommer att se denna process, men resultaten av dess arbete, inklusive säkra datatransmissionsnät och satellitkommunikationssystem, kommer att spela en enorm roll i våra liv.
Hur långt kommer kvantteknologier att tränga in i andra vetenskaps- och livssfärer som inte har att göra med IT eller fysik?
- Det här är en bra fråga, som är ännu svårare att besvara. När de första transistorerna dök upp, trodde många forskare att de bara skulle hitta användning i hörapparater. Detta är vad som hände, även om nu bara en mycket liten andel halvledaranordningar används på detta sätt.
Men det verkar för mig att ett kvantgenombrott verkligen kommer att inträffa, men inte överallt. Till exempel kommer alla prylar och enheter som interagerar med miljön och på något sätt mäter dess egenskaper oundvikligen att nå kvantgränsen, som vi redan har diskuterat. Och våra teknologier hjälper dem att övergå denna gräns, eller åtminstone minimera störningar.
Dessutom har vi redan löst ett av dessa problem med samma "negativ massa" -metod, vilket förbättrar kvantmagnetiska fältsensorer. Sådana apparater kan hitta mycket specifika biomedicinska applikationer - de kan användas för att övervaka hjärt- och hjärnans arbete och bedöma chansen att få en hjärtattack och andra problem.
Mina kollegor från RCC gör något liknande. Nu diskuterar vi vad vi har uppnått tillsammans och försöker kombinera våra strategier och få något mer intressant.