Eelmisel kuul toimus kvanttehnoloogia valdkonnas korraga kaks huvitavat arengut: Hiina teadlased teleportreerisid valguse footoneid maajaamast kosmosesatelliidini ja Moskvas toimus kvantfüüsika juhtivate ekspertide aastakonverents. Business Insider suutis hõivata dr Eugene Polziki Niels Bohri instituudist, ühe kvantteleportatsiooni juhtivast eksperdist, ja küsitles teda mitmesugustes küsimustes, sealhulgas Hiina kolleegide silmapaistva edu osas.
"Selliseid teleporteerimisi on laboratoorsetes tingimustes tehtud alates 1997. aastast, kuid Hiina teadlastel on õnnestunud saavutada see hämmastav tehnoloogiline efekt suure vahemaa tagant," ütles Polzik.
2012. aastal teleporteeris Euroopa teadlaste rühm edukalt footoneid kahe Kanaari saare vahel. Edastava ja vastuvõtva seadme vaheline kaugus oli 141 kilomeetrit. Hiina teadlastel õnnestus see rekord ületada juulis, kui nad teleportreerisid footoneid edukalt 500 kilomeetri kaugusele.
Oleme unistanud Star Treki sellisest tehnoloogiast juba ammu, kuigi meie sisetunne on alati öelnud, et teleportatsioon on põhimõtteliselt võimatu. Kuid meie reaalse maailma füüsika, milles me iga päev elame, sarnaneb kvantmaailma füüsikaga vähe. Siin on kaljunäolt langeva kivi ja valitsevate elektronide ning üksikute valguse footonite seadused täiesti erinevad sellest, mida oleme harjunud nägema. Seetõttu on sellises veidras maailmas peaaegu kõik võimalik, kaasa arvatud teleportatsioon. Kuidas sellest kõigest aru saada? Alustuseks on kvantpõimumine.
Mis on kvantmässimine?
Mõnikord on kaks kvantosakest peegliga seotud. Ükskõik, mis juhtub ühe sellise osakesega, juhtub sama ka teise osakesega. Isegi kui neid eraldavad suured vahemaad. Need on ikkagi kaks eraldi objekti, kuid kõiges identsed. Kui kaks osakest jagavad omavahel oma olekut, siis nimetatakse selliseid osakesi takerdunuks.
"Oletame, et lõin paari takerdunud footoneid," selgitab Polzik.
Reklaamvideo:
"Ma hoian ühte ja saadan teise laseriga orbiidil olevale kosmosesatelliidile, lootes, et footon jõuab sihtkohta. Teleportatsiooni saab lugeda edukaks ainult siis, kui ülekandva ja vastuvõtva jaama vahel on eraldatud kahe footoni takerdumisolek."
Teleportatsiooniprotsessi peamine tehniline raskus seisneb footoni ülekandmises takerdunud partneriosakesest teatud kaugusele. Hiina katse puhul oli üks footon Maa laboris ja teine saadeti edukalt orbiidil olevale satelliidile. Maal asuva footoniga teadlaste manipulatsioonide käigus toimunud muutused on mõjutanud ka footoni ruumis - see on kvanttelortatsioon puhtal kujul.
Kuidas mõista, kas satelliit võttis vastu soovitud footoni, mitte mingi juhusliku valgusosakese?
Seda on suhteliselt lihtne teha tänu protsessile, mida nimetatakse spektraalseks filtreerimiseks. See võimaldab teadlastel tuvastada ja jälgida üksikuid valguse footoneid, märgistades need kordumatu identifitseerimisnumbriga.
„Teate saadetava footoni sagedust, teate selle suunda. Satelliit on suunatud Maal asuvale lähtekohale. Kui teil on mõlemal küljel väga hea optiline varustus, siis see optika näeb ainult allikat ja mitte midagi muud,”jätkab Polzik.
Spektrfiltreerimismeetod on ükskõikne teiste footonite kujul esineva müra suhtes. Näiteks Kanaari saartel tehti sama katse korral ülekanne selge päikeselise taeva all.
Satelliidile viidi miljoneid footoneid, kuid sihtkohta jõudis vaid 900. Miks?
Mida kaugemale proovite takerdunud footoni saata, seda vähem tõhusaks see protsess muutub. Pealegi on Maa atmosfäär pidevas liikumises, nii et footonite kaotamine teel kosmosesse on lihtne.
Isegi kui atmosfääri ei olnud, peate ikkagi valgusvihu fokuseerima nii, et see oleks suunatud satelliidi poole. Kui lasete peopesale laserosuti, on valguspunkt väike, kuid kui laseri lihtsalt eemaldada, muutub punkt suuremaks - see on difraktsiooniseadus,”ütleb Polzik.
Maast on valgusel üsna raske kosmosesse tungida (orbiidil olevale satelliidile paigaldatud optilise vastuvõtjani). See moonutab palju, nii et enamik footoneid lihtsalt ei kao kuhugi.
“Edukat teleportatsiooni saab saavutada ainult väga lühikese aja jooksul. Üldises mõttes on see väga ebapraktiline, kuid sellegipoolest võib leida võimalusi selle tehnoloogia kasutamiseks,”jätkab Polzik.
Kas kvantteleportatsioon on andmete kohene edastamine?
Mitte päris. Teleporditavad objektid ei kao ja ilmuvad siis jälle kuhugi mujale. Teadlased kasutavad takerdumist, et edastada teavet ühe footoni kvantseisundi kohta teisele. Ilma selle teabeta peab footon füüsiliselt läbima kogu saatja ja vastuvõtja vahemaa. Jällegi ei edastata teavet koheselt. See on võimalik ainult siis, kui saatja mõõdab oma footoni kvantolekut, muutes seeläbi vastuvõtja footoni olekut. Kvantpõimumise tõttu "saab" põhimõtteliselt üks footon teiseks footoniks.
Milleks see kõik siis on?
Kvantteleportatsioon on võimeline tõestama üliturvalise maailmavõrgu loomise võimaluse kontseptsiooni. Nagu lukku avav võti, jõuab kvantvõrgu kaudu edastatud sõnum ainult adressaadini, kellel on korrektselt takerdunud footon, mis võimaldab seda sõnumit vastu võtta ja lugeda.
Kunagi nimetas Albert Einstein kvantpõimimist "õudseks kaugema toiminguks", kuid see pikamaa tegevus on põhiline komponent, mis paneb kõik toimima. Ja ühel päeval võib temast tulevikus saada meie turvalise suhtluse vedur.
Nikolay Khizhnyak
