Teleportacija, ja ... a ne za Scottyja

Letos sta dosežka kitajske in avstrijsko-kitajske raziskovalne skupine ponovno oživila debate o teleportu. Prva uspešna teleportacija enote za kvantno informacijo s tremi stanji – kutrit – je največji dosežek na tem področju v zadnjih letih. Ljudi sicer še ne bomo teleportirali v oddaljene svetove, se pa s tem bližajo kvantni računalniki in varna komunikacija.



Teleportacija buri domišljijo, vse odkar obstaja žanr znanstvene fantastike. Koncept je brez dvoma popularizirala nadaljevanka Zvezdne steze z znamenito frazo »Prežarči me, Scotty«, bastardizirala pa uspešnica Muha iz leta 1986. Teleportacijo na tak ali drugačen način obravnava na stotine filmov, nadaljevank in romanov. A ne gre le za znanstvenofantastični koncept, temveč tudi za resno raziskovalno področje fizike. Komur se zdi to neverjetno ali celo nemogoče, je v dobri družbi; tudi Einstein je s tem povezane kvantne fenomene označil za »fantomsko delovanje na daljavo« (spukhafte Fernwirkung).
 

Kaj pomeni teleportirati

Z besedo teleportirati si predstavljamo način, kako predmet z nekega mesta v prostoru prenesti na drugo mesto, ne da bi moral fizično prepotovati vmesni prostor. Teoretično za to obstajata dva načina: predmet lahko na izhodišču razstavimo na sestavne dele in jih na cilju na enak način ponovno sestavimo ali pa na izhodišču preberemo vse informacije o sestavi in zgradbi predmeta in s to informacijo iz materialov na cilju sestavimo identičen predmet. Prva možnost je podobna, kot če bi na parkirišču razstavili avtomobil in ga znova sestavili v dnevni sobi, druga možnost pa je nekakšen telefaks za predmete. Obe metodi morata izpolnjevati pogoj, da na izhodišču natančno preberemo zgradbo predmeta. In obe možnosti sta za prenos materije po trenutnem poznavanju fizike nemogoči. Tudi črvine, ki bi v vesolju po bližnjici povezovale zelo oddaljene točke v prostor-času, so zgolj teoretični konstrukt.



Ni presenetljivo, da pot k teleportaciji iščemo v kvantni mehaniki, marsikoga pa bo presenetilo, da jo za osnovne delce že poznamo in da deluje. Kvantna teleportacija je način prenosa informacije in ne samih delcev, ki izkorišča kvantno prepletenost. Kvantna prepletenost je fizikalni pojav, pri katerem so lastnosti dveh ali več delcev, ki sočasno nastanejo ali učinkujejo drug na drugega, povezane. Ta povezanost se ohrani, četudi delca potujeta v različne smeri in sta poljubno oddaljena (teoretično sta lahko vsak na svojem koncu vesolja). To ne bi bilo nič nenavadnega, saj četudi dve frnikoli prebarvamo na rdeče, bosta takšni ostali tudi na drugem koncu sveta. Toda …

Københavnska interpretacija kvantne mehanike ima posledice, ki jih sprva ni mogel sprejeti niti Einstein. Kvantni delci nekaterih lastnosti nimajo (na primer spina), dokler jih z meritvijo ne »prisilimo«, da jih zavzamejo. To je podobno, kot če bi se frnikola sama pobarvala, šele ko bi jo pogledali, prej pa bi obstajala v kombinaciji vseh barv. Če kvantno prepletena delca mesece ali leta letita vsak na svoj konec vesolja, nimata določenega spina, dokler ga enemu ne izmerimo. Z meritvijo delec prisilimo, da zavzame določen spin, s čimer pa smo zaradi kvantne prepletenosti povzročili, da je istočasno prav takšen spin zavzel tudi drugi delec. Temu je Einstein rekel fantomsko delovanje na daljavo in bil trdno prepričan, da ni možno. Menil je, da če delci že nimajo spina pred meritvijo, gotovo vsebujejo neko nam neznano informacijo, iz katere je ves čas jasno, kakšen spin bodo ob merjenju dobili. Ta teorija se imenuje lokalne skrite spremenljivke, je v skladu z zdravo pametjo in je – napačna. John Bell si je namreč leta 1964 zamislil eksperiment, ki je bil kasneje večkrat ponovljen in je pokazal, da skritih spremenljivk ni. Delec v resnici šele z meritvijo prisilimo, da izbere spin (ali kakšno drugo merjeno lastnost), kvantno prepleteni partner pa ne glede na svojo oddaljenost enako lastnost dobi prav tako isti hip. Fantomsko delovanje na daljavo ni nič fantomsko, kar pa ne pomeni, da se ne upira zdravemu razumu.
 

Kvantna teleportacija

Kvantna prepletenost ni le fizikalna zanimivost, temveč ima zelo praktične posledice, med katerimi je pomembna kvantna teleportacija. Prenos podatkov v resnici ni nič drugega kot klasična teleportacija informacije. Ko prekopiramo dokument z enega računalnika na drugega, delci diska niso fizično potovali, smo pa po klasičnem kanalu poslali informacijo o stanju bitov na prvem disku, da smo lahko na drugem disku ustvarili enako stanje bitov. Dobili smo identično kopijo dokumenta, ki je ni mogoče razlikovati od prvega.

Kvantna teleportacija na podoben način prenaša kvantne bite (kubite). Če ustvarimo dva prepletena kubita (A in B) in ju pošljemo v različni smeri, lahko to izkoristimo za prenos stanja kubita Q. Na prvi lokaciji izvedemo meritev kubita A v povezavi s kubitom Q, katerega stanje želimo teleportirati, in rezultat meritve zapišemo s klasičnimi biti. Za en kubit potrebujemo dva, ki ju pošljemo na drugo lokacijo. Tam kubit B glede na prejeto informacijo ustrezno obdelamo in ta preide v enako stanje kakor prvi kubit Q, ki smo ga želeli teleportirati. Kvantna teleportacija tudi ne krši omejitev, saj je hitrost prenosa informacije še vedno omejena s svetlobno hitrostjo (prenos klasičnih bitov).

Teleportacija ni le znanstvenofantastični koncept, temveč tudi resno raziskovalno področje fizike.


Od klasičnega kopiranja bitov pa se kvantna teleportacija bistveno razlikuje. Pri postopku se stanji kubitov A in Q nepovratno uničita, zato original izgubimo. Ker se poruši tudi prepletenost med A in B, se zapre tudi komunikacijski kanal. To je fundamentalna posledica narave vesolja, ki je ni možno zaobiti. Imenuje se izrek o nekloniranju in pomeni, da je nemogoče prekopirati stanje kubita. Če ga preberemo, smo ga že spremenili in uničili superpozicijo, kloniranje brez branja prav tako ni možno. Teleportacija, torej prenos informacije in uničenje originala, pa je možna.

Kvantna teleportacija ni teoretična fantazija. Že leta 1998 so jo uspešno izvedli raziskovalci iz Italije in Velike Britanije. Leta 2004 so v Avstriji po optičnih vlaknih teleportirali fotone na razdalji 600 metrov, današnji rekord pa je še precej dlje.
 

Kvantni trojček

Doslej je bil kvantni teleport omejen na kubite. Pred štirimi leti smo videli teleportacijo dveh stanj fotonov hkrati (spina in orbitalne vrtilne količine), a še vedno je šlo za individualne kubite. Letos pa so znanstveniki napravili velik korak naprej: prvič so kvantno teleportirali kutrit, kakor se imenuje enotna informacija, ki jo lahko zapišemo v kvantnem sistemu s superpozicijo treh stanj. Ekipa z Univerze za znanost in tehnologijo na Kitajskem (USTC), ki jo vodi raziskovalec Guangcan Guo, je že aprila poročala o kvantni teleportaciji kutritov na fotonih, a na recenzijo in objavo članka še čakamo. Junija pa je mednarodna ekipa, ki jo vodita Jianwei Pan z USTC in Anton Zeilinger z Univerze na Dunaju in Avstrijske akademije znanosti, dosegla isto, o čemer so minuli mesec objavili članek v reviji Physical Review Letters.

ℹKubiti in superpozicija

Kakor je bit osnovna enota informacije v klasičnih računalnikih, je kubit (kvantni bit) osnovna enota informacije v kvantnih računalnikih. Njihova glavna lastnost je možnost, da obstajajo v superpoziciji stanj 0 in 1 hkrati. Superpozicija je kvantni fenomen, ko delec obstaja v vseh stanjih hkrati, dokler ga interakcija s kakšnim drugim delcem (denimo meritev) ne prisili v izbiro enega. Prototipi kvantnih računalnikov imajo že danes nekaj deset kubitov, kar omogoča hitro reševanje problemov, za katere obstajajo kvantni algoritmi. Ker so vsi kubiti v superpoziciji stanj, lahko obdelujejo veliko število možnih rešitev danega problema hkrati (10-kubitni že 1024, 20-kubitni pa 1.048.576). V praksi so kubiti izvedeni na različne načine, tako kot so tudi biti na diskih, polprevodniških karticah, pomnilniku in procesorju predstavljeni zelo različno.

 

Varno šifriranje

Pomislili bi, da je kvantna teleportacija neuporabna, saj je omejena s hitrostjo svetlobe, omogoča zgolj prenos informacije in povrhu vsakokrat zahteva vzpostavitev novega kanala. Pa ni tako. V raziskave kvantne teleportacije se zlasti v ZDA in na Kitajskem stekajo velikanske vsote denarja. Te tehnologije so namreč uporabne za kvantno šifriranje, med katerim je najbolj znan in razvit koncept kvantno varna izmenjava šifrirnih ključev. Z uporabo kvantne prepletenosti in teleportacije si lahko pošiljatelj in prejemnik ključ za šifriranje sporočil izmenjata absolutno varno. Zaradi že omenjenega izreka o nekloniranju je možno izmenjavo načrtovati tako, da zaznamo vsako nepooblaščeno prestrezanje. Že sámo branje namreč spremeni informacijo, ki se prenaša, kar lahko s premetenim sistemom takoj opazimo. To odpira možnosti za gradnjo varnih komunikacijskih omrežij na Zemlji in v vesolju, nad čemer se zelo navdušuje vojska.

Kitajci so pred dvema letoma pokazali, da gre to tudi v praksi. S pomočjo satelita Micius so na razdalji 1200 kilometrov prenesli informacijo s kvantno prepletenimi delci. Prenos po optičnih vlaknih na Zemlji je težavnejši, ker je težko vzdrževati kvantno prepletenost delcev dovolj časa. Lani so raziskovalci iz Švice izvedli tak prenos na razdalji 421 kilometrov. Seveda pa ne smemo pozabiti, da gre pri vseh teh uspehih za prototipe, za katerimi stojijo milijonski projekti in kjer na primer uspešno prenesejo en kvantno prepleten delec od več milijonov poslanih. A tudi današnji računalniki so bili nekoč en sam delujoč tranzistor.
Raziskave teleportacije močno spominjajo na raziskave potovanja skozi čas. Na prvi pogled se zdi cilj nedosegljiv, in čeprav ga morda ne bomo nikoli dosegli na način, kot prikazujejo filmi, bodo veliko prispevale k poznavanju sveta in razvoju tehnologije. Prve otipljive rezultate že imamo, v prihodnosti pa bodo kvantni računalniki gotovo ponujali še več.
*** Matej Huš je znanstveni sodelavec na Kemijskem inštitutu, kjer raziskuje kemijske procese na ravni kvantne mehanike.