Profesorul de fizică la Institutul Niels Bohr din Copenhaga, unul dintre pionierii teleportării cuantice, Eugene Polzik, a explicat pentru RIA Novosti unde se află granița dintre lumile „reale” și „cuantice”, de ce o persoană nu poate fi teleportată și cum a reușit să creeze materie cu „masă negativă”.
În urmă cu cinci ani, echipa sa a implementat pentru prima dată un experiment pentru a teleporta nu un singur atom sau o particulă de lumină, ci un obiect macroscopic.
El a prezidat recent consiliul consultativ internațional al Rusiei Quantum Center (RQC), în locul lui Mikhail Lukin, creatorul unuia dintre cele mai mari computere cuantice din lume și lider mondial în domeniul calculelor cuantice. Potrivit profesorului Polzik, se va concentra pe dezvoltarea și realizarea potențialului intelectual al tinerilor oameni de știință ruși și consolidarea participării internaționale la activitatea CCR.
„Eugene, va putea vreodată umanitatea să teleporteze mai mult decât particule sau o colecție de atomi sau alte obiecte macroscopice?
- Nu aveți idee cât de des mi se pune această întrebare - vă mulțumesc că nu m-ați întrebat dacă este posibil să teleporteze o persoană. În termeni foarte generali, situația este următoarea.
Universul este un obiect gigantic, încurcat la nivel cuantic. Problema este că nu suntem capabili să „vedem” toate gradele de libertate ale acestui obiect. Dacă luăm un obiect mare într-un astfel de sistem și încercăm să-l luăm în considerare, atunci interacțiunile acestui obiect cu alte părți ale lumii vor da naștere la ceea ce se numește o „stare mixtă” în care nu există nici o înțelegere.
Așa-numitul principiu al monogamiei operează în lumea cuantică. Se exprimă în faptul că, dacă avem două obiecte în mod ideal înfășurate, atunci ambele nu pot avea aceleași „conexiuni invizibile” puternice cu orice alte obiecte ale lumii înconjurătoare, ca și între ele.
Eugene Polzik, profesor la Institutul Niels Bohr din Copenhaga și șeful consiliului internațional consultativ al CCR. Foto: RCC.
Video promotional:
Revenind la problema teleportării cuantice, aceasta înseamnă că, în principiu, nimic nu ne împiedică să confundăm și să teleportăm un obiect de dimensiunea cel puțin a întregului Univers, dar, în practică, ne va împiedica să vedem toate aceste conexiuni în același timp. Prin urmare, trebuie să izolăm obiectele macro de restul lumii atunci când efectuăm astfel de experimente și să le permitem să interacționeze doar cu obiectele „necesare”.
De exemplu, în experimentele noastre a fost posibil să se realizeze acest lucru pentru un nor care conține un trilion de atomi, datorită faptului că erau în vid și ținuți într-o capcană specială care îi izola de lumea exterioară. Apropo, aceste camere au fost dezvoltate în Rusia - în laboratorul lui Mikhail Balabas, la Universitatea de Stat din Sankt Petersburg.
Mai târziu am trecut la experimente pe obiecte mai mari care pot fi văzute cu ochiul liber. Și acum efectuăm un experiment privind teleportarea vibrațiilor apărute în membrane subțiri realizate din materiale dielectrice care măsoară milimetru cu milimetru.
Acum, pe de altă parte, personal sunt mai interesat de alte domenii ale fizicii cuantice, în care, mi se pare, vor avea loc progrese reale în viitorul apropiat. Cu siguranță vor surprinde pe toți.
Unde exact?
- Știm cu toții bine că mecanica cuantică nu ne permite să știm tot ce se întâmplă în lumea din jurul nostru. Datorită principiului incertitudinii Heisenberg, nu putem măsura simultan toate proprietățile obiectelor cu cea mai mare precizie posibilă. Și în acest caz, teleportarea se transformă într-un instrument care ne permite să ocolim această limitare, transferând informații parțiale despre starea obiectului, ci întregul obiect în sine.
Aceleași legi ale lumii cuantice ne împiedică să măsurăm cu exactitate traiectoria mișcării atomilor, electronilor și a altor particule, deoarece este posibil să aflăm fie viteza exactă a mișcării lor, fie poziția lor. În practică, aceasta înseamnă că precizia tuturor tipurilor de senzori de presiune, mișcare și accelerație este strict limitată de mecanica cuantică.
Recent, ne-am dat seama că nu este întotdeauna cazul: totul depinde de ceea ce ne referim prin „viteză” și „poziție”. De exemplu, dacă în timpul acestor măsurători nu folosim sisteme clasice de coordonate, ci omologii lor cuantice, atunci aceste probleme vor dispărea.
Cu alte cuvinte, în sistemul clasic, încercăm să determinăm poziția unei particule în raport cu, aproximativ, o masă, un scaun sau un alt punct de referință. Într-un sistem cuantic de coordonate, zero va fi un alt obiect cuantic cu care interacționează sistemul de interes pentru noi.
S-a dovedit că mecanica cuantică face posibilă măsurarea ambilor parametri - atât viteza de mișcare, cât și traiectoria - cu o precizie infinit de mare pentru o anumită combinație de proprietăți ale punctului de referință. Ce este această combinație? Un nor de atomi care servește ca zero al sistemului de coordonate cuantice trebuie să aibă o masă negativă eficientă.
De fapt, acești atomi nu au „probleme de greutate”, dar se comportă ca și cum ar avea masă negativă, datorită faptului că sunt situați într-un mod special unul față de celălalt și s-au aflat în interiorul unui câmp magnetic special. În cazul nostru, acest lucru duce la faptul că accelerația particulelor scade, dar nu își mărește energia, lucru absurd din punct de vedere al fizicii nucleare clasice.
Acest lucru ne ajută să scăpăm de schimbările aleatorii în poziția particulelor sau de viteza lor de mișcare care apar atunci când măsurăm proprietățile lor folosind lasere sau alte surse de fotoni. Dacă plasăm un nor de atomi cu „masă negativă” pe calea acestei raze, atunci va interacționa mai întâi cu ei, apoi va zbura prin obiectul studiat, aceste tulburări aleatorii se elimină reciproc și vom putea măsura toți parametrii cu o precizie infinit de mare.
Toate acestea sunt departe de teorie - acum câteva luni am testat deja aceste idei în mod experimental și am publicat rezultatul în revista Nature.
Există vreo utilizare practică pentru asta?
- Cu un an în urmă, am spus deja, vorbind la Moscova, că un principiu similar de „înlăturare” a incertitudinii cuantice poate fi folosit pentru a îmbunătăți acuratețea LIGO și a altor observatorii gravitaționale.
Atunci a fost doar o idee, dar acum a început să prindă contur. Lucrăm la implementarea acesteia împreună cu unul dintre pionierii măsurărilor cuantice și un participant la proiectul LIGO, profesorul Farid Khalili de la RCC și Universitatea de Stat din Moscova.
Desigur, nu vorbim despre instalarea unui astfel de sistem pe detectorul propriu-zis - acesta este un proces foarte complicat și consumat de timp, iar LIGO în sine are planuri în care pur și simplu nu putem intra. Pe de altă parte, ei sunt deja interesați de ideile noastre și sunt gata să ne asculte în continuare.
În orice caz, mai întâi, trebuie să creați un prototip de lucru al unei astfel de instalații, ceea ce va arăta că putem trece cu adevărat peste graniță în precizia de măsurare impusă de principiul incertitudinii Heisenberg și alte legi ale lumii cuantice.
Vom efectua primele experimente de acest fel pe un interferometru de zece metri în Hanovra, o copie mai mică a LIGO. Acum reunim toate componentele necesare acestui sistem, inclusiv un suport, surse de lumină și un nor de atomi. Dacă vom reuși, atunci sunt sigur că colegii noștri americani ne vor asculta - nu există încă alte modalități de a ocoli limita cuantică.
Propunătorii teoriilor cuantice deterministe, care cred că șansele nu există în lumea cuantică, vor considera astfel de experimente drept dovada corectitudinii ideilor lor?
- Să fiu sincer, nu știu ce cred ei despre asta. Anul viitor organizăm o conferință la Copenhaga cu privire la granițele dintre fizica clasică și cuantică și probleme filozofice similare și pot participa dacă vor să își prezinte viziunea asupra acestei probleme.
Eu însumi ader la interpretarea clasică a Copenhaga a mecanicii cuantice și recunosc că funcțiile de undă nu sunt limitate ca mărime. Până în prezent, nu vedem semne că prevederile sale sunt încălcate undeva sau în contradicție cu practica.
Laborator de optică cuantică la Centrul rusesc de cuantice. Foto: RCC.
În ultimii ani, fizicienii au efectuat nenumărate teste ale inegalităților lui Bell și ale paradoxului Einstein-Podolski-Rosen, care exclud complet posibilitatea ca comportamentul obiectelor la nivel cuantic să poată fi controlat de unele variabile ascunse sau alte lucruri în afara domeniului teoriei cuantice clasice.
De exemplu, în urmă cu câteva luni, a existat un alt experiment care a închis toate „găurile” posibile în ecuațiile lui Bell, folosite de susținătorii teoriei variabilelor ascunse. Numai pentru a-i parafraza pe Niels Bohr și Richard Feynman, „închidem și experimentăm”: mi se pare că ar trebui să ne punem doar acele întrebări la care putem răspunde prin experimente.
Dacă ne întoarcem la teleportarea cuantică - având în vedere problemele pe care le-ați descris: va găsi aplicație în computere cuantice, sateliți de comunicații și alte sisteme?
- Sunt sigur că tehnologiile cuantice vor pătrunde din ce în ce mai mult în sistemele de comunicații și vor intra rapid în viața noastră de zi cu zi. Cât de exact nu este încă clar - informațiile, de exemplu, pot fi transmise atât prin teleportare, cât și prin linii obișnuite cu fibră optică, folosind sisteme de distribuție a cheilor cuantice.
La rândul său, memoria cuantică, cred, va deveni realitate și după un timp. Cel puțin, va fi necesară crearea de repetoare pentru sisteme și semnale cuantice. Pe de altă parte, este dificil de prezis cum și când vor fi puse în aplicare toate acestea.
Mai devreme sau mai târziu, teleportarea cuantică va deveni nu exotică, ci un lucru cotidian pe care toată lumea îl poate folosi. Desigur, este puțin probabil să vedem acest proces, dar rezultatele activității sale, inclusiv rețelele de transmisie sigure de date și sistemele de comunicații prin satelit, vor juca un rol imens în viața noastră.
Cât de departe vor pătrunde tehnologiile cuantice în alte sfere ale științei și vieții care nu au legătură cu IT sau fizică?
- Aceasta este o întrebare bună, la care este chiar mai greu de răspuns. Când au apărut primele tranzistoare, mulți oameni de știință au crezut că nu vor folosi decât în aparate auditive. Acest lucru s-a întâmplat, deși acum doar o proporție foarte mică din dispozitivele cu semiconductor sunt utilizate în acest fel.
Cu toate acestea, mi se pare că într-adevăr va avea loc o descoperire cuantică, dar nu peste tot. De exemplu, orice gadget și dispozitive care interacționează cu mediul și care măsoară într-un fel proprietățile acestuia vor atinge inevitabil limita cuantică, despre care am discutat deja. Și tehnologiile noastre îi vor ajuta să depășească această limită, sau cel puțin să minimizeze interferențele.
Mai mult, am rezolvat deja una dintre aceste probleme folosind aceeași abordare „masă negativă”, îmbunătățind senzorii de câmp magnetic cuantic. Astfel de dispozitive pot găsi aplicații biomedicale foarte specifice - pot fi folosite pentru a monitoriza activitatea inimii și a creierului, evaluând șansele de a suferi un atac de cord și alte probleme.
Colegii mei de la CCR fac ceva similar. Acum discutăm împreună ce am obținut, încercând să ne combinăm abordările și să obținem ceva mai interesant.
