Förra månaden skedde två intressanta utvecklingar inom kvantteknikområdet på en gång: kinesiska forskare teleporterade ljusfotoner från en markstation till en rymdsatellit och en årlig konferens med ledande kvantefysikexperter hölls i Moskva. Business Insider kunde fånga Dr. Eugene Polzik från Niels Bohr-institutet, en av de ledande experterna inom kvantteleportering, och ifrågasatte honom i en rad olika frågor, inklusive den enastående framgången för hans kinesiska kollegor.
"Teleporteringar av detta slag har utförts under laboratorieförhållanden sedan 1997, men kinesiska forskare har lyckats uppnå denna fantastiska tekniska effekt på ett långt avstånd," sa Polzik.
År 2012 teleporterade ett team europeiska forskare framgångsrikt fotoner mellan de två Kanarieöarna. Avståndet mellan sändande och mottagande enheter var 141 kilometer. Kinesiska forskare lyckades slå detta rekord i juli när de framgångsrikt teleporterade fotoner över ett avstånd av 500 kilometer.
Vi har länge drömt om en sådan teknik från Star Trek, även om vår intuition alltid har sagt att teleportering i princip är omöjligt. Emellertid har fysiken i vår verkliga värld, där vi lever varje dag, lite likhet med kvantvärldens fysik. Här är lagarna i en fallande sten från en klippa och styrande elektroner och enskilda ljusfotoner helt annorlunda än vad vi är vana vid att se. I en sådan bisarr värld är därför nästan allt möjligt, inklusive teleportering. Hur förstår man allt detta? Vi börjar med kvanttrassel.
Vad är kvantförtrassling?
Ibland visar sig två kvantpartiklar vara spegelbundna. Oavsett vad som händer med en av dessa partiklar kommer detsamma att hända med den andra. Även om de är åtskilda av stora avstånd. De är fortfarande två separata objekt, men de är identiska i allt. När två partiklar delar sina tillstånd med varandra kallas sådana partiklar intrasslade.
"Antag att jag skapade ett par intrasslade fotoner", förklarar Polzik.
Kampanjvideo:
”Jag behåller den ena och skickar den andra med en laser till en kretsande rymdsatellit och hoppas att foton når sin destination. Teleportering kan endast betraktas som framgångsrik när tillståndet för tvåfoton-intrassling är åtskilt mellan de sändande och mottagande stationerna."
Den största tekniska svårigheten med teleporteringsprocessen är överföringen av en foton till ett visst avstånd från den intrasslade partnerpartikeln. I fallet med det kinesiska experimentet var en foton i ett laboratorium på jorden, och den andra skickades framgångsrikt till en satellit som kretsade. De förändringar som har skett med foton på jorden som en del av manipulering av forskare har också påverkat foton i rymden - detta är kvantteleportering i sin renaste form.
Hur förstår jag om satelliten fick önskad foton och inte någon slumpmässig ljuspartikel?
Detta är relativt lätt att göra tack vare en process som kallas spektralfiltrering. Det gör det möjligt för forskare att identifiera och spåra enskilda ljusfotoner genom att märka dem med ett unikt identifieringsnummer.
”Du vet frekvensen på foton du skickar, du vet dess riktning. Satelliten riktar sig till källan för utsändning på jorden. Om du har mycket bra optisk utrustning på båda sidor, så ser denna optik bara källan och inget annat, fortsätter Polzik.
Spektralfiltreringsmetoden är likgiltig med "brus" i form av andra fotoner. I samma experiment på Kanarieöarna genomfördes till exempel överföringen under en klar solig himmel.
Det överfördes miljontals fotoner till satelliten, men endast 900 nådde destinationen. Varför?
Ju längre du försöker skicka den intrasslade foton, desto mindre effektiv blir denna process. Dessutom är jordens atmosfär i konstant rörelse, så det är lätt att förlora fotoner på väg in i rymden.
”Även om det inte fanns någon atmosfär måste du ändå fokusera ljusstrålen så att den riktas mot satelliten. Om du lyser en laserpekare på din handflata kommer ljuspunkten att vara liten, men om du bara tar bort lasern blir punkten större - detta är diffraktionslagen, säger Polzik.
Från marken är det ganska svårt för ljus att bryta igenom rymden (till en optisk mottagare installerad på en satellit). Det förvränger mycket, så de flesta fotonerna går bara ingenstans.
”Framgångsrik teleportering kan bara uppnås på mycket kort tid. I allmänhet är detta mycket opraktiskt, men ändå kan man hitta sätt att använda denna teknik, fortsätter Polzik.
Är Quantum Teleportation en omedelbar överföring av data?
Inte riktigt. Teleporterbara föremål försvinner inte och dyker upp igen någon annanstans. Forskare använder trassel för att överföra information om kvanttillståndet för en foton till en annan. Utan denna information måste foton fysiskt täcka hela avståndet mellan sändaren och mottagaren. Återigen överförs inte information direkt. Detta är endast möjligt när avsändaren mäter kvanttillståndet för sin foton och därigenom ändrar foton för mottagaren. På grund av kvanttrassel blir "i princip" en foton en annan foton.
Så vad är allt detta för?
Kvantteleportering kan bevisa begreppet möjligheten att skapa ett extremt säkert världskommunikationsnätverk. Som en nyckel som öppnar ett lås, kommer ett meddelande som sänds över ett kvantnätverk endast att nå adressaten som har den rätt intrasslade foton, vilket gör att detta meddelande kan tas emot och läsas.
Albert Einstein kallade en gång kvantförtrassling”spöklik långdistansåtgärd”, men denna långdistansåtgärd är den grundläggande komponenten som får allt att fungera. Och en dag kan han bli drivkraften för vår säkra kommunikation i framtiden.
Nikolay Khizhnyak
