Kvantinės teleportacijos įtaka ateities technologijoms

Šiandien perpiet paskelbta antroji Nobelio premija.

Šių metų fizikos premija paskirta profesoriams Alainui Aspektui (Aspect), Džonui F. Klauseriui (Johnui F. Clauseriui) ir Antonui Zeilingeriui „už bandymus su susietais fotonais, nustatant Bello nelygybės pažeidimą ir dedant pamatus kvantinės informacijos mokslui“ – paskelbė Nobelio komitetas.

Pasak Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto kvantinės mechanikos dėstytojo doc. Jevgenijaus Chmeliovo, šis aukščiausio lygio įvertinimas dar kartą pabrėžė kvantinės mechanikos mokslo svarbą.

„Nors kvantinė mechanika, kaip mikrodalelių pasaulį aprašanti atskira fizikos mokslo šaka, gimė pačioje XX a. pradžioje, o pagrindiniai jos dėsniai buvo matematiškai suformuluoti maždaug prieš šimtmetį, kai kurie šios teorijos bruožai ilgą laiką vis tiek kėlė fundamentinius klausimus.

Vienas iš jų – kvantinio supainiojimo, arba susietumo, reiškinys“, – teigia doc. J. Chmeliovas.

Einsteinas vadino paslaptingu

Vienas kvantinės fizikos pionierių Albertas Einsteinas susietumą pavadino „paslaptingu reiškiniu per atstumą“ (angl. spooky action at a distance), kadangi jis, atrodo, veikia akimirksniu, nors akivaizdaus ryšio tarp susijusių elementų įžvelgti negalime.

Doc. J. Chmeliovo teigimu, toks reiškinys nutinka, kai kelios sąveikaujančios kvantinės dalelės yra „paruošiamos“ specialios bendros būsenos – pavyzdžiui, du elektronai su nuliniu bendru sukiniu.

Taip paruoštas daleles vėliau galima nukelti labai toli vieną nuo kitos, kad jos nustotų tiesiogiai sąveikauti.

Vis dėlto, jei jų kvantinis susietumas išlaikomas, kiekvienos atskiros dalelės būsenos tarpusavyje taip pat išlieka koreliuotos.

„Pavyzdžiui, jei atlikdami matavimą nustatysime, kad vieno elektrono sukinys yra nukreiptas aukštyn, automatiškai (net neatlikdami antrojo matavimo) žinosime, kad kito elektrono sukinys yra nukreiptas žemyn“, – pateikia pavyzdį docentas.

Reiškinys ilgai kėlė diskusijas

Jis sako, kad nors minėta savybė natūraliai išplaukia iš kvantinės mechanikos dėsnių, ilgą laiką tarp fizikų vyko karštos dar paties A. Einsteino pradėtos diskusijos dėl šių kvantinės mechanikos dėsnių pilnumo bei iš jos gaunamų rezultatų interpretavimo ir bandymų matavimo vaidmens kvantiniame pasaulyje.

„Viena vertus, galima teigti, kad dar prieš pirmąjį matavimą abiejų dalelių atskiros būsenos buvo griežtai apibrėžtos (tiesiog nežinojome, kurio elektrono sukinys kaip yra nukreiptas).

Tuo metu jas nusakančio „paslėpto bruožo“ nemokėjome išmatuoti ir aprašyti dėl iki galo nenustatytų visų kvantinės mechanikos dėsnių.

Anot kitos interpretacijos, prieš matavimą jokia dalelė neturėjo aiškios būsenos, t. y. vienu metu jos sukiniai buvo nukreipti ir aukštyn, ir žemys, ir tik eksperimentas padaro jos būseną apibrėžtą“, – dėsto doc. J. Chmeliovas.

Pirmtakas – J. S. Belas

Būdą, leidžiantį atskirti, kuri iš šių interpretacijų yra teisinga, 1964 m. pasiūlė airių fizikas Džonas Stiuartas Belas (Johnas Stewartas Bellas).

Jo vardu pavadinta matematinė nelygybė, kurią turi tenkinti koreliacijos tarp abiejų dalelių būsenų matavimų rezultatų, jei yra teisinga hipotezė dėl kiekvienai dalelei būdingų lokaliųjų „paslėptųjų parametrų“.

Šis atradimas tapo pamatu tolimesniems bandymams, siekiantiems patikrinti Belo nelygybę. Jei ši nelygybė būtų patvirtinta, tai reikštų, kad šiuolaikinė kvantinė mechanika yra nepilnai užbaigta.

Taigi, reikėtų ieškoti naujų, šiandien dar nežinomų jos dėsnių, kaip siūlė Einšteinas“, – aiškina pašnekovas.

Jis mini, jog vieni pirmųjų 1972 m. tokius bandymus su fotonais atliko amerikiečių profesoriai J. Klauseris (Clauser) ir Stiuartas J. Frydmanas (Stuart J. Freedmanas).

Maždaug po dešimtmečio prie aktyvaus Belo nelygybės tyrimo prisijungė ir prancūzo prof. A. Aspekto tyrėjų grupė.

Aibe bandymų jie nustatė, kad Belo nelygybė buvo pažeidžiama, t. y. eilinį kartą buvo patvirtinti fundamentalūs kvantinės mechanikos dėsniai ir iki atliekamo matavimo tikrai egzistuojantis dalelės būsenos neapibrėžtumas.

Kvantinės teleportacijos įtaka ateities technologijoms

„Kvantinio susietumo reiškinius taip pat aktyviai tyrinėjo ir austrų profesorius A. Zeilingeris.

Nagrinėdamas sąveikas tarp susietųjų dalelių poros ir atskiros dalelės, jis su tyrimų grupe atrado reiškinį, šiandien žinomą kaip kvantinė teleportacija“, – pasakoja doc. J. Chmeliovas.

Mokslininkas pažymi, kad čia kalbama ne apie fantastiniuose filmuose vaizduojamą dalelės teleportavimą iš vienos vietos į kitą, bet informacijos teleportaciją.

Kitaip tariant, vienos mikrodalelės būsenos „klonavimą“ kitai dalelei. Ši informacijos perdavimo net per didelius atstumus jos neprarandant galimybė buvo patvirtinta atliekant bandymus.

„Tai atvėrė duris dar vienai visiškai jaunai mokslo krypčiai – kvantinei žinių teorijai, kuria remiasi ir kvantinės kriptografijos būdai bei kvantinių kompiuterių veikimo būdai.

Taigi šiandien Nobelio komiteto pagerbti fizikai savo darbais ženkliai prisidėjo ne tik prie kvantinės mechanikos kaip fundamentaliojo mokslo raidos, bet ir prie naujųjų šiuolaikinių ir ateities technologijų vystymosi“, – tvirtina pašnekovas.