W 2005 roku nekrolog fizyka Ashera Peresa w czasopiśmie Physics Today powiedział nam, że gdy dziennikarz zapytał go, czy teleportacja kwantowa może przetransportować duszę człowieka naukowiec odpowiedział, podobnie jak ich ciało: „Nie, nie ciało, tylko dusza”. Odpowiedź Peresa jest czymś więcej niż zwykłym żartem, ale oferuje doskonałe wyjaśnienie, zakodowane w metaforze, realności procesu, który widzieliśmy niezliczoną ilość razy w science fiction. W rzeczywistości teleportacja istnieje, chociaż w prawdziwym świecie tak jest. zupełnie inny niż słynny „Beam me up, Scotty!” związane z serią Star Trek.

Teleportacja w prawdziwej nauce zaczęła nabierać kształtu w 1993 roku dzięki teoretycznemu badaniu opublikowanemu przez Peresa i pięciu innych badaczy w Physical Review Letters, które położyły podwaliny pod teleportację kwantową. Najwyraźniej był to pomysł współautora Charlesa Bennetta, aby skojarzyć proponowane zjawisko z popularną ideą teleportacji, ale istnieje zasadnicza różnica między fikcją a rzeczywistością: w tej drugiej nie chodzi o to, co podróżuje, ale raczej o informację, która przenosi właściwości z materia pierwotna do materii docelowej.

Teleportacja kwantowa opiera się na hipotezie opisanej w 1935 roku przez fizyka Alberta Einsteina i jego współpracowników Borisa Podolsky’ego i Nathana Rosena, znanej jako paradoks EPR. W konsekwencji praw fizyki kwantowej możliwe było otrzymanie dwóch cząstek i rozdzielenie ich w przestrzeni, tak aby nadal miały takie same właściwości, jak dwie połówki całości. Zatem akcja na jednym z nich (na A lub Alicji, zgodnie z używaną nomenklaturą) natychmiast wpłynie na drugą (na B lub Boba). To „upiorne działanie na odległość”, według słów Einsteina, mogłoby wydawać się zdolne do przekroczenia ograniczenia prędkości światła.

Teoria tego zjawiska, zwanego splątaniem kwantowym, została później rozwinięta w 1964 r. Przez Johna Stewarta Bella i została potwierdzona w licznych eksperymentach. Prace Peresa, Bennetta i ich współpracowników sugerują, że trzecia cząstka może wchodzić w interakcje z cząstką Alicji i tracić stan kwantowy – wartość jednej z jej właściwości fizycznych – ma zostać przeniesiony na wartość Boba, tak aby uzyskał ten stan. Bez przeniesienia materii cząstka Boba zostanie przekształcona w kopię interaktywnej cząstki Alicji i nigdy nie doszłoby między nimi do fizycznego kontaktu

Teleportowane kubity

Od 1998 roku w różnych eksperymentach uzyskano tę kwantową teleportację, początkowo przy użyciu pojedynczych fotonów, następnie atomów i bardziej złożonych systemów. Początkowo zjawisko to wykazano na niewielkiej odległości, która w kolejnych badaniach wzrosła do setek metrów i kilometrów. Obecnym rekordem jest teleportacja fotonów 1400 kilometrów z Ziemi do satelity Micius na orbicie okołoziemskiej, osiągnięcie z sukcesem przeprowadzonego w 2017 roku przez zespół kierowany przez Jian-Wei Pan z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hefei (USTC).

W tych eksperymentach przesyłane są informacje zakodowane w bitach. W klasycznym sensie bit jest podstawową jednostką informacji binarnej, która przyjmuje wartość 0 lub 1. W zastosowaniu do stanów kwantowych bit może zawierać informacje np. O spinie cząstki (rodzaj rotacji ). Ale w kwantowej wersji bitu, kubitu, jego wartość może wynosić 0 i 1 lub inną wartość, na przykład 2, ponieważ mechanika kwantowa pozwala na nakładanie się stanów. Dlatego właśnie obliczenia kwantowe są postrzegane jako potężniejsza technologia niż tradycyjne obliczenia, ponieważ ich zdolność do przechowywania i przetwarzania informacji jest znacznie większa.

Należy jednak podkreślić, że teleportacja kwantowa nie służy do przesyłania dane natychmiast lub z prędkością większą niż prędkość światła. Powodem jest to, że Bob musi uzyskać dodatkowe informacje o pomiarach Alicji, które nie są przesyłane przez system splątanych cząstek, a zatem muszą zostać przesłane innym kanałem; dla każdego teleportowanego kubitu muszą zostać przesłane dwa klasyczne bity, a można to zrobić tylko tradycyjnymi sposobami, które maksymalnie osiągają prędkość światła.

Przyszła sieć kwantowa

Jednak pomimo tego ograniczenia, możliwości teleportacji kwantowej wyglądają coraz bardziej obiecująco w miarę osiągania nowych kamieni milowych. W tym roku dwa zespoły naukowców po raz pierwszy zgłosiły transmisję qutrit, czyli trójwymiarowych jednostek informacji (które mogą przyjmować trzy wartości, 0, 1 i 2). „Oba badania wykazały teleportację qutrit.Główną różnicą jest metoda, której użyliśmy ”- wyjaśnia Bi-Heng Liu, fizyk z UCTC i współautor jednego z niepublikowanych jeszcze badań dla OpenMind.

Jednak w tej chwili między tymi dwoma zespołami nadal toczą się kontrowersje. Jak wyjaśnił OpenMind fizyk Chao-Yang Lu, również z UCTC i współautor innego badania, opublikowanego w Physical Review Letters, w odniesieniu do pracy jego kolegów, „kwantowej natury teleportacji nie wykazano . ” Współautor tego samego badania Manuel Erhard z Uniwersytetu Wiedeńskiego również uważa, że w eksperymencie Liu „pomiary i wyniki nie są wystarczające, aby stwierdzić, że istnieje prawdziwa trójwymiarowa i uniwersalna teleportacja kwantowa”. Ze swojej strony Liu broni swoich wyników: „Zrobiliśmy symulację numeryczną i potwierdziliśmy teleportację qutritów”.

Kontrowersje dotyczą również możliwości skalowania systemu do większej liczby wymiarów. Liu, „oba schematy są skalowalne”. Ze swojej strony Erhard argumentuje, że jego własny system można łatwo rozszerzyć na dowolny wymiar: „Dalszy wzrost wymiarowości jest kwestią rozwoju technologicznego” – mówi. Z drugiej strony nie jest pewien, czy to samo można powiedzieć o systemie jego kolegów.

Ale jaki jest sens rozszerzania tych eksperymentów na większą liczbę wymiarów? „Możliwe zastosowanie wielowymiarowej teleportacji kwantowej leży w sieciach kwantowych” – wyjaśnia Erhard w rozmowie z OpenMind. „W związku z tym wyobrażamy sobie przyszłą sieć kwantową, która będzie oparta na alfabetach o wyższych wymiarach. Niosą one za sobą na przykład większą pojemność informacyjną, a także większą odporność na szum”.

Dlatego odejście od kubitu do qutrit, a stamtąd do ćwiartki itd., kładzie teraz podwaliny pod przyszłe kwantowe sieci obliczeniowe. Lu przewiduje, że jego system osiągnie tak zwaną supremację kwantową, zdolność rozwiązywania problemów nieosiągalnych przy klasycznych komputerach: „Jesteśmy wdrażamy wielofotonowe wielowymiarowe eksperymenty obliczeń kwantowych zwane próbkowaniem bozonów i miejmy nadzieję, że w najbliższej przyszłości będziemy kontrolować 30-50 fotonów, aby osiągnąć supremację kwantową. ”

Javier Yanes

@ yanes68