Teleportacja to już nie tylko science fiction – przynajmniej na poziomie kwantowym

Spis treści:

1. Teleportacja w laboratorium
2. Teleportacja kwantowa może pomóc rozwiązywać złożone problemy
3. Jak działa teleportacja kwantowa?
4. Czy teleportacja kwantowa pozwoli kiedyś przenosić ludzi?

Sześćdziesiąt lat temu serial Star Trek wprowadził technologię, która stała się jedną z najbardziej rozpoznawalnych w historii science fiction: transporter. Maszyna, umożliwiająca natychmiastową teleportację z miejsca na miejsce, zrodziła się z czystej oszczędności – twórcy chcieli uniknąć wysokich kosztów renderowania lądowań statku. Technologia „przesyłania” załogi na pokład Enterprise i z powrotem stała się od tego czasu znakiem rozpoznawczym serii.

Teleportacja w laboratorium

W świecie Star Treka transporter przekształca materię w strumień energii, który następnie przesyłany jest do wybranego miejsca, gdzie zostaje odtworzony atom po atomie. Choć serial ten nie był pierwszym dziełem ukazującym teleportację, to właśnie ta koncepcja najmocniej rozpaliła wyobraźnię odbiorców, dając początek trwałym motywom kulturowym i licznym inspiracjom technologicznym. A potem… teleportacja stała się rzeczywistością.

Ponad 30 lat temu grupa fizyków poszukiwała nazwy dla swojej radykalnej i nowatorskiej koncepcji. Chcieli opisać sposób przekazywania stanów kwantowych atomów lub cząstek subatomowych do innych, oddalonych cząstek bez jakiejkolwiek fizycznej interakcji między nimi. Stan kwantowy to pojęcie matematyczne, opisujące informacje o atomie lub cząstce subatomowej – na przykład poziom energii elektronu czy polaryzację fotonu. Zainspirowani science fiction, badacze nazwali to zjawisko „teleportacją kwantową”. Od tego czasu idea ta ewoluowała z koncepcji teoretycznej w eksperymentalnie zweryfikowaną rzeczywistość.

Pierwsze doświadczenia z końca lat 90. wykazały, że stany kwantowe można przesyłać na krótkie dystanse. Kolejne badania udowodniły, że proces ten działa na coraz większe odległości – nawet między Ziemią a niską orbitą okołoziemską, co w 2017 roku zademonstrowali chińscy naukowcy. Teleportacja kwantowa jest możliwa dzięki wykorzystaniu splątania kwantowego – naturalnego zjawiska, w którym maleńkie cząstki mogą zostać ze sobą powiązane na niemal nieskończonych dystansach.

Teleportacja kwantowa znacząco różni się od teleportacji materii, którą znamy z filmów i seriali. Polega ona na przenoszeniu stanu kwantowego, a nie samej materii. I choć eksperci podkreślają, że nie doprowadzi to do „przenoszenia” ludzi jak w Star Treku, może otworzyć drogę do nowej ery obliczeń kwantowych, która zrewolucjonizuje nasze rozumienie świata subatomowego – a tym samym także natury wszechświata i wszystkiego, co w nim istnieje. – U podstaw natura ma charakter kwantowy – mówi Jason Orcutt, główny naukowiec badawczy w IBM Quantum. – Ty sam jesteś informacją kwantową.

Teleportacja kwantowa może pomóc rozwiązywać złożone problemy

W życiu codziennym obiekty zdają się podlegać znanym nam zasadom fizyki klasycznej. Jednak na poziomie atomów i cząstek subatomowych zaczyna obowiązywać zupełnie inny, często trudny do wyobrażenia zestaw reguł. To właśnie królestwo fizyki kwantowej, w którym cząstki mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie, dopóki nie zostaną poddane pomiarowi, a obiekty mogą zostać ze sobą powiązane na niemal nieskończonych dystansach.

Wiele zjawisk w świecie kwantowym wymyka się intuicji – i możliwościom opisu przez tradycyjne komputery. Podczas gdy klasyczne komputery przechowują i przetwarzają dane w postaci bitów (0 lub 1), stan układu kwantowego nie zawsze da się sprowadzić do tak prostego podziału. Dlatego potrzebny jest inny sposób zapisu informacji – informacja kwantowa, czyli kubity (qubits).

Podczas gdy bit może przyjmować tylko wartość 0 albo 1, kubit może jednocześnie reprezentować oba stany, aż do momentu pomiaru – zjawisko to nazywa się superpozycją. Kubity mogą również ulegać splątaniu, co oznacza, że pomiar jednego natychmiast wpływa na wynik pomiaru drugiego. W efekcie powstaje bardzo złożona forma informacji, która stanowi fundament ogromnych możliwości komputerów kwantowych.

– Istnieją problemy tak trudne, że ich rozwiązanie zajęłoby czas równy wiekowi Wszechświata – i klasyczne komputery nigdy im nie podołają – twierdzi dr Jason Orcutt. Komputery kwantowe mogą w przyszłości umożliwić precyzyjne symulowanie świata molekularnego, w tym złożonych reakcji chemicznych. Dzięki temu moglibyśmy projektować wydajniejsze procesy przemysłowe – na przykład bardziej energooszczędną produkcję syntetycznych nawozów dla rolnictwa – a także tworzyć zupełnie nowe materiały.

Choć komercyjne komputery kwantowe już istnieją, ich możliwości są wciąż ograniczone. Jednym z kluczowych wyzwań w budowie większych i bardziej zaawansowanych maszyn – zdolnych do korygowania błędów i prowadzenia długotrwałych obliczeń – jest opracowanie skutecznych metod przesyłania informacji kwantowej. – Problem polega na tym, że gdy mierzymy stan kwantowy, automatycznie go zmieniamy – wyjaśnia Simone Portalupi, badacz komunikacji kwantowej. – Nie da się więc po prostu skopiować informacji kwantowej.

Jak działa teleportacja kwantowa?

Potrzebne są więc inne sposoby przekazywania informacji – i właśnie tu pojawia się teleportacja kwantowa. Jako metoda umożliwiająca przenoszenie stanów kwantowych bez przemieszczania materii, może stać się standardowym sposobem komunikacji w świecie technologii kwantowych. Dzięki niej możliwe będzie łączenie odległych komputerów kwantowych, a w przyszłości nawet stworzenie kwantowego internetu.

Splątanie kwantowe jest zjawiskiem naturalnym, ale można je również wywołać sztucznie. Gdy dwa układy kwantowe zostaną splątane, ich stany pozostają ze sobą powiązane niezależnie od dzielącej je odległości. To właśnie dlatego splątanie może być wykorzystywane do przesyłania informacji.

Procedura teleportacji stanów kwantowych została po raz pierwszy opisana w publikacji z 1993 roku, a następnie potwierdzona w serii eksperymentów. Do lat 2010. naukowcy nauczyli się teleportować różne typy stanów kwantowych, w tym stany nadprzewodzących obwodów. Badania wykazały także, że możliwe jest przesyłanie stanów kwantowych między miastami, a nawet między Ziemią a przestrzenią kosmiczną i z powrotem. Dziś – jak podkreśla Daniel Orcutt – dziedzina ta wychodzi poza etap czysto naukowy i wkracza w fazę inżynieryjną, której celem jest łączenie i skalowanie komputerów kwantowych.

Czy teleportacja kwantowa pozwoli kiedyś przenosić ludzi?

Choć teleportacja kwantowa może odegrać kluczową rolę w rozwoju przyszłych komputerów kwantowych, eksperci podkreślają, że raczej nie doprowadzi do powstania urządzeń zdolnych do „transportowania” ludzi, jak w Star Treku. – Porównania do Star Treka są trudne – mówi Tim Strobel, doktorant zajmujący się komunikacją kwantową i członek projektu QR.N. – W naszym przypadku chodzi o przenoszenie stanów kwantowych, a nie materii czy energii.

Oblak przyznaje, że aby teleportować człowieka, należałoby przenieść całą informację kwantową dotyczącą atomów i cząstek, z których jest zbudowany. Konieczne byłoby także posiadanie w miejscu docelowym „zestawu atomów gotowych do złożenia człowieka”, a następnie przekazanie stanu kwantowego do każdego z nich z osobna. – Trudno sobie wyobrazić, by kiedykolwiek było to możliwe – mówi. Pozostaje też odwieczna debata filozoficzna: czy osoba, która pojawia się po teleportacji, to ta sama osoba, czy jedynie jej kopia?

W mechanice kwantowej obowiązuje tzw. twierdzenie o zakazie klonowania, które mówi, że nie da się skopiować nieznanego stanu kwantowego. Teleportacja omija ten problem, ponieważ oryginalny stan zostaje najpierw zmierzony i zniszczony, zanim zostanie odtworzony w innym miejscu. W efekcie – na poziomie kwantowym – przeniesiony stan można uznać raczej za ten sam, a nie jego kopię.

Jeśli okaże się, że to, co czyni cię tym, kim jesteś – twoje wspomnienia, osobowość, a nawet poczucie własnego „ja” – sprowadza się do informacji kwantowej, wówczas być może mógłbyś przeteleportować się w nowe miejsce. Jeśli jednak tak nie jest, taka „teleportacja” mogłaby oznaczać jedynie śmierć oryginału i powstanie jego kopii gdzie indziej. – To wszystko opiera się wyłącznie na spekulacjach – mówi Orcutt. – Na razie pytanie, czy można teleportować człowieka, a nawet pojedynczy atom, pozostaje zdecydowanie w sferze science fiction – podobnie jak wszelkie odpowiedzi na to pytanie.

Źródło: National Geographic