Kopenhaageni Niels Bohri instituudi füüsikaprofessor, üks kvantteleportatsiooni pioneere Eugene Polzik selgitas RIA Novostile, kus on piir "päris" ja "kvant" maailma vahel, miks inimest ei saa teleporteerida ja kuidas tal õnnestus luua "negatiivse massiga" ainet.
Viis aastat tagasi viis tema meeskond esimest korda läbi eksperimendi, mille eesmärk oli mitte ühe valguse aatomi või osakese, vaid makroskoopilise objekti teleportimine.
Ta juhtis hiljuti Venemaa Kvantkeskuse (RQC) rahvusvahelist nõuandekogu, asendades Mihhail Lukini, maailma ühe suurima kvantarvuti looja ja kvantarvutusega seotud maailma liidrit. Professor Polziku sõnul keskendub ta noorte Venemaa teadlaste intellektuaalse potentsiaali arendamisele ja realiseerimisele ning rahvusvahelise osaluse tugevdamisele RCC töös.
„Eugene, kas inimkond suudab kunagi teleportida rohkem kui üksikuid osakesi või aatomite või muude makroskoopiliste objektide kogumit?
- Teil pole aimugi, kui tihti minult seda küsimust küsitakse - tänan, et te ei küsinud, kas mul on võimalik inimest teleporteerida. Üldiselt on olukord järgmine.
Universum on hiiglaslik objekt, takerdunud kvanttasandile. Probleem on selles, et me ei suuda selle objekti kõiki vabadusastmeid "näha". Kui võtame sellises süsteemis suure objekti ja proovime sellega arvestada, siis annab selle objekti interaktsioon teiste maailma osadega nn nn segaolukorra, milles takerdumist pole.
Nn monogaamia põhimõte toimib kvantmaailmas. See väljendub selles, et kui meil on kaks ideaalselt takerdunud objekti, siis ei saa neil mõlemal olla ümbritseva maailma teiste objektidega sama tugevad "nähtamatud ühendused", kui üksteisega.
Eugene Polzik, Kopenhaageni Niels Bohri instituudi professor ja RCC rahvusvahelise nõuandekogu juht. Foto: RCC.
Reklaamvideo:
Naastes kvantteleportatsiooni küsimuse juurde, tähendab see, et põhimõtteliselt ei takista miski meid segi ajamast ja teleporteerimast vähemalt kogu Universumi suurust objekti, kuid praktikas takistab see meil kõiki neid ühendusi korraga nägemast. Seetõttu peame selliste katsete tegemisel isoleerima makroobjektid muust maailmast ja võimaldama neil suhelda ainult "vajalike" objektidega.
Näiteks meie katsetes oli see võimalik triljonit aatomit sisaldava pilve jaoks, kuna nad olid vaakumis ja neid hoiti spetsiaalses lõksus, mis isoleeris neid välismaailmast. Need kaamerad, muide, töötati välja Venemaal - Mihhail Balabase laboris Peterburi Riiklikus Ülikoolis.
Hiljem liikusime edasi katsete juurde suurematel objektidel, mida võib palja silmaga näha. Ja nüüd viime läbi eksperimendi dielektrilistest materjalidest õhukeste membraanide tekkivate vibratsioonide teleportatsiooni kohta, mille mõõtmed on millimeeter millimeetri kohta.
Teisest küljest huvitavad mind isiklikult rohkem kvantfüüsika muud valdkonnad, milles mulle tundub lähitulevikus toimumas läbimurre. Nad üllatavad kindlasti kõiki.
Kus täpselt?
- Me kõik teame hästi, et kvantmehaanika ei võimalda meil teada kõike, mis toimub ümbritsevas maailmas. Heisenbergi määramatuse põhimõtte tõttu ei saa me objektide kõiki omadusi samaaegselt mõõta võimalikult suure täpsusega. Ja sel juhul muutub teleportatsioon tööriistaks, mis võimaldab meil sellest piirangust mööda minna, edastades mitte osalist teavet objekti oleku, vaid kogu objekti enda kohta.
Samad kvantmaailma seadused takistavad meil aatomite, elektronide ja teiste osakeste liikumistrajektoori täpset mõõtmist, kuna on võimalik teada saada nende liikumise täpne kiirus või asukoht. Praktikas tähendab see, et kvantmehaanika piirab rangelt igasuguste rõhu, liikumise ja kiirenduse andurite täpsust.
Hiljuti mõistsime, et see pole alati nii: kõik sõltub sellest, mida mõtleme "kiiruse" ja "positsiooni" all. Näiteks kui me kasutame selliste mõõtmiste ajal mitte klassikalisi koordinaatsüsteeme, vaid nende kvantpaare, siis need probleemid kaovad.
Teisisõnu, klassikalises süsteemis püüame kindlaks teha konkreetse osakese positsiooni laias laastus, toolis või mõnes muus lähtepunktis. Kvantkoordinaatsüsteemis on null veel üks kvantobjekt, millega meie huvides olev süsteem interakteerub.
Selgus, et kvantmehaanika võimaldab mõõta mõlemat parameetrit - nii liikumise kiirust kui ka trajektoori - lõpmatuseni suure täpsusega võrdluspunkti omaduste teatud kombinatsiooni jaoks. Mis see kombinatsioon on? Aatomipilvel, mis on kvantkoordinaatide süsteemi null, peab olema efektiivne negatiivne mass.
Tegelikult pole neil aatomitel muidugi "kaaluprobleeme", kuid nad käituvad nii, nagu neil oleks negatiivne mass, tulenevalt asjaolust, et nad asuvad üksteise suhtes erilisel viisil ja asusid spetsiaalse magnetvälja sees. Meie puhul toob see kaasa asjaolu, et osakese kiirendus väheneb, kuid ei suurenda selle energiat, mis on klassikalise tuumafüüsika seisukohast absurdne.
See aitab meil vabaneda osakeste positsiooni või nende liikumiskiiruse juhuslikest muutustest, mis ilmnevad nende omaduste mõõtmisel laserite või muude footoniallikate abil. Kui paigutame selle kiirte teele "negatiivse massiga" aatomite pilve, siis see interakteerub kõigepealt nendega, siis lendab see läbi uuritava objekti, need juhuslikud häired kõrvaldavad üksteise ja saame mõõta kõiki parameetreid lõpmata suure täpsusega.
Kõik see on kaugel teooriast - mõni kuu tagasi katsetasime neid ideid juba eksperimentaalselt ja avaldasime tulemuse ajakirjas Nature.
Kas sellel on mingit praktilist kasutust?
- Aasta tagasi ütlesin juba Moskvas rääkides, et sarnast kvantmääramatuse "eemaldamise" põhimõtet saab kasutada LIGO ja teiste gravitatsiooniliste vaatluskeskuste töö täpsuse parandamiseks.
Siis oli see vaid idee, kuid nüüd on see hakanud kuju võtma. Töötame selle elluviimisel koos ühe kvantmõõtmise pionieri ja LIGO projektis osaleja, RCC ja Moskva Riikliku Ülikooli professori Farid Khalili'ga.
Muidugi, me ei räägi sellise süsteemi paigaldamisest detektorile endale - see on väga keeruline ja aeganõudev protsess ning LIGO-l endal on kavad, kuhu me lihtsalt ei pääse. Teisest küljest on nad juba meie ideedest huvitatud ja on valmis meid edasi kuulama.
Igal juhul peate kõigepealt looma sellise installatsiooni toimiva prototüübi, mis näitab, et Heisenbergi määramatuse põhimõtte ja teiste kvantmaailma seadustega kehtestatud mõõtmistäpsuses saame tõesti üle piiri minna.
Esimesed sedalaadi katsed viime läbi Hannoveris asuvas kümnemeetrises interferomeetris, LIGO väiksemas eksemplaris. Nüüd monteerime kõik selle süsteemi jaoks vajalikud komponendid, sealhulgas aluse, valgusallikad ja aatomipilve. Kui see õnnestub, siis olen kindel, et meie Ameerika kolleegid kuulavad meid ära - kvoodilimiidi ületamiseks pole veel muid võimalusi.
Kas deterministlike kvantteooriate pooldajad, kes usuvad, et kvantmaailmas võimalusi ei eksisteeri, peavad selliseid katseid oma ideede õigsuse tõestuseks?
- Ausalt öeldes ei tea ma, mida nad sellest arvavad. Järgmisel aastal korraldame Kopenhaagenis konverentsi, kus käsitletakse klassikalise ja kvantfüüsika ning sarnaste filosoofiliste küsimuste piire ja kus nad saavad osaleda, kui nad soovivad oma nägemust sellest probleemist esitada.
Ma ise pean kinni kvantmehaanika klassikalisest Kopenhaageni tõlgendusest ja tunnistan, et lainefunktsioonide suurus pole piiratud. Siiani ei näe me mingeid märke selle sätete rikkumisest kuskil või tavaga vastuolus.
Vene Kvantkeskuse kvantoptika labor. Foto: RCC.
Füüsikud on viimastel aastatel teinud lugematuid Belli ebavõrdsuse ja Einstein-Podolski-Roseni paradoksi katseid, mis välistavad täielikult võimaluse, et objektide käitumist kvanttasandil saab kontrollida mõne varjatud muutuja või muu abil, mis jääb väljapoole klassikalise kvantteooria ulatust.
Näiteks mõni kuu tagasi toimus veel üks eksperiment, mis sulges kõik võimalikud "augud" Belli võrrandites, mida varjatud muutujate teooria pooldajad kasutasid. Niels Bohri ja Richard Feynmani parafraseerimisel saame ainult kinni olla ja katsetada: mulle tundub, et peaksime endalt küsima ainult neid küsimusi, millele saab katsete abil vastata.
Kui läheme tagasi kvantteleportatsiooni juurde - arvestades teie kirjeldatud probleeme: kas see leiab rakendust kvantarvutites, sidesatelliitides ja muudes süsteemides?
- Olen kindel, et kvanttehnoloogiad tungivad üha enam sidesüsteemidesse ja need sisenevad kiiresti meie igapäevaellu. Kuidas täpselt, pole veel selge - teavet saab näiteks kvantvõtmete jaotussüsteemide abil edastada nii teleportatsiooni kaudu kui ka tavaliste kiudoptiliste liinide kaudu.
Kvantmälu omakorda, ma usun, saab mõne aja pärast ka reaalsuseks. Vähemalt on vaja kvantsignaalide ja süsteemide jaoks repiiterite loomist. Teisest küljest on keeruline ennustada, kuidas ja millal see kõik ellu viiakse.
Varem või hiljem ei muutu kvantteleportatsioon eksootiliseks, vaid igapäevaseks asjaks, mida kõik saavad kasutada. Muidugi, me ei näe seda protsessi tõenäoliselt, kuid selle töö tulemused, sealhulgas turvalised andmeedastusvõrgud ja satelliitsidesüsteemid, mängivad meie elus suurt rolli.
Kui kaugele tungivad kvanttehnoloogiad teistesse teaduse ja elu valdkondadesse, mis pole seotud IT ega füüsikaga?
- See on hea küsimus, millele on veelgi raskem vastata. Esimeste transistoride ilmumisel uskusid paljud teadlased, et nad leiavad kasutamist ainult kuuldeaparaatides. See juhtuski, kuigi praegu kasutatakse sel viisil ainult väga väikest osa pooljuhtseadmeid.
Sellegipoolest tundub mulle, et kvantmurre toimub tõesti, kuid mitte igal pool. Näiteks kõik vidinad ja seadmed, mis suhtlevad keskkonnaga ja mõõdavad kuidagi selle omadusi, jõuavad paratamatult kvantpiirini, millest me oleme juba arutanud. Ja meie tehnoloogiad aitavad neil sellest piirist mööda minna või vähemalt häireid minimeerida.
Pealegi oleme ühe neist probleemidest juba sama negatiivse massi lähenemise abil lahendanud, parandades kvantmagnetvälja andureid. Sellised seadmed võivad leida väga spetsiifilisi biomeditsiinilisi rakendusi - neid saab kasutada südame ja aju töö jälgimiseks, südameinfarkti saamise võimaluste ja muude probleemide hindamiseks.
Minu kolleegid RCC-st teevad midagi sarnast. Nüüd arutame koos saavutatut, proovime ühendada oma lähenemisviise ja saada midagi huvitavamat.
