Vuonna 2005 fyysikko Asher Peresin nekrologi Physics Today -lehdessä kertoi meille, että kun toimittaja kysyi häneltä, voisiko kvanttitelortointi kuljettaa ihmisen sielua samoin kuin heidän ruumiinsa, tiedemies vastasi: ”Ei, ei ruumis, vain sielu.” Peresin vastaus tarjoaa muutakin kuin vain yksinkertaisen vitsin, metaforaan koodatun täydellisen selityksen prosessin todellisuudesta, jonka olemme nähneet lukemattomia kertoja tieteiskirjallisuudessa. Itse asiassa teleportointia on olemassa, vaikka tosielämässä se onkin aivan erilainen kuin kuuluisa ”Beam me up, Scotty!” Tähtitieteen sarja liittyy.

Todelliseen tieteeseen liittyvä teleporttaatio alkoi muotoutua vuonna 1993 Peresin ja viiden muun Physical Review Letters -lehden julkaiseman teoreettisen tutkimuksen ansiosta, joka loi perustan kvantti teleportoinnille. Ilmeisesti tekijän Charles Bennettin idea oli yhdistää ehdotettu ilmiö suosittuun teleportoinnin ajatukseen, mutta fiktiossa ja todellisuudessa on olennainen ero: jälkimmäisessä ei ole väliä, joka matkustaa, vaan pikemminkin tieto, joka siirtää ominaisuuksia Alkuperäinen asia kohdeaineeseen.

Kvanttiteleptointi perustuu fyysikko Albert Einsteinin ja hänen kollegoidensa Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin vuonna 1935 kuvailemaan hypoteesiin, joka tunnetaan EPR-paradoksina. Kvanttifysiikan lakien seurauksena oli mahdollista saada kaksi hiukkasia ja erottaa ne avaruudessa siten, että ne jakavat edelleen ominaisuuksiaan kahtena kokonaisuutena. Siten toisella heistä (A: lla tai Alicella käytetyn nimikkeistön mukaan) olisi välittömästi vaikutus toiseen (B: hen tai Bobiin). Tämä ”pelottava toiminta etäisyydellä”, Einsteinin sanoin, tuntuu kykenevältä rikkomaan valon nopeuden rajoitusta.

Tämän ilmiön teoria, jota kutsutaan kvanttikiinnitykseksi, kehitti myöhemmin vuonna 1964 John Stewart Bell, ja sitä on vahvistettu lukuisilla kokeilla. kvanttitila – yhden sen fyysisten ominaisuuksien arvo – siirretään Bobin arvoon, jotta se saisi kyseisen tilan. Ilman aineen siirtämistä Bob-partikkeli muutettaisiin Alice-interaktiivisen hiukkasen kopiona ja välillä ei olisi koskaan ollut fyysistä yhteyttä ne.

Teleportoidut qubitit

Vuodesta 1998 lähtien erilaiset kokeet ovat saavuttaneet tämän kvantti teleportoinnin käyttämällä ensin yksittäisiä fotoneja, sitten atomeja ja monimutkaisempia järjestelmiä. Aluksi ilmiö osoitettiin lyhyellä etäisyydellä, joka lisääntyi myöhemmissä tutkimuksissa satoihin metreihin ja kilometreihin. Tämänhetkinen ennätys on fotonien teleporttaaminen 1400 kilometrin etäisyydellä maasta kiertoradalla olevaan Micius-satelliittiin. Saavutus onnistui vuonna 2017 Jian-Wei Panin johtaman ryhmän toimesta Kiinan Hefein tiede- ja teknologiayliopistossa (USTC). / p>

Näissä kokeissa lähetetään bitteinä koodattua tietoa. Klassisessa mielessä bitti on binäärisen informaation perusyksikkö, joka ottaa arvon 0 tai 1. Kvanttitiloissa bitti voi sisältää tietoja esimerkiksi hiukkasen pyörimisestä (eräänlainen kierto) ). Mutta bitin, kvbitin, kvanttiversiossa sen arvo voi olla sekä 0 että 1 tai toinen arvo, kuten 2, koska kvanttimekaniikka sallii tilojen päällekkäisyyden. Siksi kvanttilaskentaa pidetään perinteistä tietojenkäsittelyä tehokkaampana tekniikkana, koska sen kyky tallentaa ja käsitellä tietoa on paljon suurempi.

On kuitenkin tärkeää korostaa, että kvantti teleportointi ei palvele lähetystä tietoja hetkessä tai nopeammin kuin valon nopeutta. Syynä on se, että Bobin on saatava lisätietoja Alice-mittauksista, joita ei välitetä sotkeutuneen hiukkasjärjestelmän kautta, ja siksi se on lähetettävä toisen kanavan kautta; kutakin teleportoitua kuittausta varten on lähetettävä kaksi klassista bittiä, ja tämä voidaan tehdä vain perinteisillä tavoilla, jotka korkeintaan saavuttavat vain valon nopeuden.

Tuleva kvanttiverkko

Tästä rajoituksesta huolimatta kvantti teleportointimahdollisuudet näyttävät yhä lupaavammilta, kun saavutetaan uusia välitavoitteita. Tänä vuonna kaksi tutkijaryhmää on raportoinut ensimmäistä kertaa qutritien tai kolmiulotteisten tietoyksiköiden (joista voi olla kolme arvoa, 0, 1 ja 2) välittämistä. ”Molemmat tutkimukset ovat osoittaneet qutritin teleportoitumisen.Suurin ero on käyttämämme menetelmä ”, kertoo UCTC: n fyysikko Bi-Heng Liu ja yhden vielä julkaisemattoman tutkimuksen kirjoittaja OpenMindille.

Tällä hetkellä kahden joukkueen välillä on kuitenkin vielä jonkin verran kiistaa. Kuten fyysikko Chao-Yang Lu, myös UCTC: stä ja toisen Physical Review Letters -lehdessä julkaistun tutkimuksen tekijä, kertoi OpenMindille hänen kollegoidensa työstä, ”teleportoinnin kvanttisuutta ei ole osoitettu. . ” Saman tutkimuksen toinen kirjoittaja Manuel Erhard, Wienin yliopistosta, uskoo myös, että Liun kokeessa ”mittaukset ja tulokset eivät riitä vaatimaan aitoa kolmiulotteista ja universaalia kvantti teleportointia”. Liu puolestaan puolustaa tuloksiaan: ”Olemme tehneet numeerisen simulaation ja vahvistaneet qutritien teleportoinnin.”

Kiista ulottuu myös mahdollisuuksiin laajentaa järjestelmää useampaan ulottuvuuteen. Liulle ”molemmat järjestelmät ovat skaalautuvia”. Erhard puolestaan väittää, että hänen oma järjestelmä voidaan helposti laajentaa mihin tahansa ulottuvuuteen: ”Teknisen kehityksen kysymys on lisätä ulottuvuutta edelleen”, hän sanoo. Toisaalta hän ei ole varma, voidaanko sama sanoa kollegoidensa järjestelmästä.

Mutta mitä järkeä on laajentaa näitä kokeita useampaan ulottuvuuteen? ”Mahdollinen korkean ulottuvuuden kvantti teleportoinnin sovellus on kvanttiverkostoissa”, Erhard selittää OpenMindille. ”Siksi kuvittelemme tulevaa kvanttiverkkoa, joka perustuu korkeampiulotteisiin aakkosiin. Näiden etuna on suurempi informaatiokapasiteetti ja esimerkiksi suurempi melunkestävyys.”

Siksi siirtyminen qubitistä qutritille ja sieltä kvartsille, ja niin edelleen, luo nyt perustan tuleville kvanttilaskennan verkoille. Lu ennustaa, että hänen järjestelmänsä saavuttaa niin kutsutun kvantti-ylivallan, kyvyn ratkaista ongelmia, joita ei voida saavuttaa klassisella tietojenkäsittelyllä: ”Olemme toteuttamalla moni-fotonisia moniulotteisia kvanttilaskennakokeita, joita kutsutaan bosoninäytteeksi, ja toivottavasti lähitulevaisuudessa toivomme hallitsevamme 30-50 fotonia kvanttivalvonnan saavuttamiseksi. ”

Javier Yanes

@ yanes68