Kas bendra tarp kačių ir teleportacijos?

Kvantinė fizika ir jos paslaptingi reiškiniai kelia vis daugiau klausimų apie tikrovės prigimtį – nuo Šriodingerio katės, kuri yra ir gyva, ir mirusi vienu metu, iki kvantinės teleportacijos, kuri, neperduodama materijos, perduoda kvantinę būseną. Šriodingerio katė – garsiausias kvantinės fizikos mintinis eksperimentas ir turbūt žinomiausia katė mokslo istorijoje – jau seniai tapo ne tik mokslinio pasaulio diskusijų objektu, bet ir simboliu visko, kas slypi už įprasto mūsų suvokimo ribų. Kaip kvantinė katė privertė mus pergalvoti tikrovės prigimtį, taip ir kvantinė teleportacija kelia klausimų apie tai, kas iš tikrųjų yra informacija ir kaip ją galima perduoti dar tiksliau.

Kvantinės fizikos tikslumas – stebuklai, vykstantys kasdien

Kvantinė teorija – tai paslaptingas ir itin tikslus mokslas, aprašantis mažiausių Visatos dalelių (elektronų, atomų, molekulių ir šviesos dalelių) elgesį. Jos tikslumas yra toks stulbinantis, kad žymus fizikas Richardas Feynmanas palygino jį su atstumo tarp Niujorko ir Los Andželo matavimo tikslumu, kuris prilygtų žmogaus plauko pločiui. Lietuvos pavyzdžiais kalbant, tai būtų šimtą kartų tikslesnis atstumas nei tarp Vilniaus ir Klaipėdos, jei matavimo tikslumas prilygtų vieno Martyno Mažvydo „Katekizmo“ lapo storiui.

Tačiau kvantiniai reiškiniai nėra vien laboratorijų stebuklas – jie vyksta nuolat visur aplink mus. Bet kokia medžiagos sąveika su kita medžiaga ar šviesa yra ne kas kita, kaip kvantinis procesas. Visi elektroniniai prietaisai remiasi kvantiniais reiškiniais, ir net Saulė negalėtų egzistuoti be kvantinių jėgų, leidžiančių vandenilio atomams susijungti ir išskirti energiją. Kvantiniai reiškiniai vyksta ir biologiniuose procesuose, pavyzdžiui, fotosintezėje, kurios metu augalai naudoja šviesą energijai generuoti ir efektyviai ją nukreipia į reikiamas ląsteles (į atitinkamą augalo dalį).

Teleportacija – ne klonavimas, o informacijos perdavimas

Paklausti apie teleportaciją, dauguma žmonių tikriausiai įsivaizduoja filmų scenas, kuriose objektas ar žmogus suskaidomas į atomų rinkinį, visa jo schema perduodama į kitą vietą ir ten iš naujo surenkama iš atomų. Nors tokia idėja ir skamba intriguojamai, ji prieštarauja kvantinei fizikai, kuri teigia, kad negalime išgauti visos informacijos apie mus dominančią sistemą, nes neįmanoma sukurti tiksliai identiškos nežinomos kvantinės būsenos kopijos.

Neklonavimo teorema kvantinėje fizikoje teigia, kad neįmanoma tiksliai klonuoti net ir vienos dalelės. Tai reiškia, kad negalime tiesiog klonuoti žmogaus ar bet kurios kitos sistemos, jai esant kvantinės būsenos, nes, norint nustatyti kvantinės būsenos informaciją, būtina atlikti matavimą. Šis veiksmas negrįžtamai sugriauna kvantinę superpoziciją ir sukuria tik vieną iš galimų rezultatų. Kaip Šriodingerio katės atveju – ji negali būti ir gyva, ir negyva tuo pačiu metu. Tad net ir kalbėdami apie genetinį klonavimą mokslininkai pažymi, kad tokie procesai kaip avies Dolly klonavimas remiasi biologiniais principais, o ne tiksliais atomų kopijavimo metodais. Jei klonuotai aviai pritrūktų kelių vilnos plaukelių, biologijoje tai būtų nepastebima, tačiau fizikoje reikštų, kad prarandama dalis atomų ir klonas nebūtų visiškai identiškas originalui.

Kaip veikia paukščių „vidinis kompasas“?

Tikrovėje žmonių teleportacija būtų nepraktiška, nes juose yra per daug atomų (vidutinis 70 kg sveriantis žmogus turi beveik 7×10²⁷ atomų, t. y. septynis milijardus milijardų milijardų), todėl kvantinėje fizikoje teleportacija turi kitokią prasmę. Čia kalbama ne apie materijos, o apie informacijos perdavimą ir šis perdavimas yra galimas dėl kvantinės sieties – reiškinio, vykstančio elementariųjų dalelių lygmeniu.

Kvantinė teleportacija yra metodas, apimantis kvantinės būsenos perkėlimą tarp dviejų dalelių, fiziškai nejudinant pačios dalelės. Tai viena iš kvantinės mechanikos įdomybių: du ar daugiau kvantinių objektų dėl juose užkoduotos informacijos gali elgtis visiškai vienodai, kaip identiški dvyniai, net kai juos skiria didžiuliai kosminiai atstumai. Ir kai vienas bus sutrikdytas, kitas taip pat akimirksniu pasikeis, nesvarbu, kaip nutolę jie yra vienas nuo kito. Visa tai vyksta dėl juos jungiančios nematomos jėgos – sieties (susiejimo). Kad ir kaip tai vadintume, procesas perduoda vienos dalelės kvantinę būseną kitai, identiškai dalelytei, tuo pat metu sunaikindamas pradinę originalios dalelės būseną. Svarbiausia, kad šis procesas veikia net ir tuo atveju, jei nežinote, kokią „informaciją“ siunčiate, t. y. kokia iš tiesų yra originalios dalelės kvantinė būsena. Tai yra itin svarbu, nes bandymas išmatuoti nežinomą kvantinį signalą gali jį sutrikdyti ir pakeisti.

Nenuostabu, kad 1930 m. Albertas Einsteinas prieštaravo sieties idėjai, nes tuo metu nebuvo įmanoma šio reiškinio eksperimentiškai patikrinti. Tačiau aštuntajame dešimtmetyje tai tapo įmanoma, ir nuo tada daug kartų buvo atlikti sėkmingi sieties eksperimentai (2023 m. CERN pavyko stebėti kvantinę sietį tarp viršutinio kvarko ir jo antimedžiagos atitikmens). O fizikai Alainas Aspectas, Johnas F. Clauseris ir Antonas Zeilingeris, kiekvienas skirtingu laiku ir tobulindami metodus, pademonstravo, kad galima ne tik tirti, bet ir valdyti tas susietas daleles (2022 m. už tai jiems paskirta Nobelio premija). Šis reiškinys turi milžinišką potencialą tobulinant ryšių technologijas ir stiprinant nacionalinį saugumą.

Kvantinė sietis – ne tik teorinis mokslo stebuklas, bet ir svarbus gamtos reiškinys, padedantis paukščiams migruoti ir orientuotis Žemės magnetiniame lauke. Paukščių akyse esantis specialus baltymas, vadinamas kriptochromu, veikia kaip „vidinis kompasas“. Šis baltymas yra jautrus šviesai ir leidžia paukščiams aptikti Žemės magnetinį lauką. Kai šviesa patenka į paukščio akis, sužadina šio baltymo molekules, kurios sukuria porą susietų elektronų. Šie elektronai yra jautrūs net ir silpniems magnetinio lauko pokyčiams, todėl paukščiai gali nustatyti savo geografinę padėtį ir kelionės kryptį. Tačiau kvantiniai reiškiniai neapsiriboja tik mažais objektais – Delfto universiteto mokslininkai parodė, kad kvantinį teleportavimą galima pritaikyti ir didesnėms struktūroms, tokioms kaip optomechaniniai įrenginiai, sudaryti iš dešimčių milijardų atomų.

Kvantinė komunikacija tikslesnė už klasikinę

Teleportacija jau tapo tikrove, o naujienos apie sėkmingai atliekamus kvantinės teleportacijos eksperimentus kelia vis didesnį visuomenės susidomėjimą. Teleportacija leidžia perkelti kvantinę informaciją kvantinių būsenų pavidalu iš vienos vietos į kitą ir taip suformuoti kvantinį tinklą. Šis procesas remiasi kvantinės sieties reiškiniu ir klasikinės komunikacijos priemonėmis. Nors tai sudėtinga technologija ir pirmieji žingsniai buvo atliekami laboratorijose (A. Zeilingeris pirmasis pademonstravo kvantinę teleportaciją dar 1997 m.), dabar matome jos pirmąsias praktines demonstracijas. Pirmieji rezultatai, parodę, kad kvantiniai ir klasikiniai tinklai gali dalintis viena šviesolaidinio ryšio infrastruktūra, buvo gauti vos prieš keletą mėnesių, 2024 m. gruodžio 20 d. Visa telekomunikacijų technologija (taip pat ir internetas) priklauso nuo šviesos dalelių (fotonų) perdavimo per optinius pluoštus. Optinio ryšio metu skaitmeniniai duomenų signalai paverčiami į šviesą ir perduodami šviesolaidžiu dideliais atstumais. Toks ryšys yra pagrindinis daugumos telekomunikacijų sistemų elementas. Nors klasikinis ryšys susideda iš milijonų šviesos dalelių, kvantinis ryšys naudoja tik pavienes fotonų poras, t. y. kvantinę šviesą.

Anksčiau mokslininkai manė, kad šios dvi šviesos dalelės negalės pereiti per klasikinės komunikacijos dalelių perkrautą „greitkelį“, nes jos bus tarsi trapus dviratis, bandantis manevruoti tarp didžiulių sunkvežimių požeminiame tunelyje. Tam reikėjo rasti būdą, kaip nukreipti šias subtilias daleles. Šviesa susideda iš įvairaus ilgio bangų, ir mokslininkai nustatė konkretų bangos ilgį, kada patiriama mažesnė interferencija su kitais signalais, todėl fotonams lengviau judėti. Interferencija – tai tarsi dvi radijo stotys, grojančios vienu metu: jei jų bangos sutampa, muzika gali pagarsėti, bet jei nesutampa, garsas tampa chaotiškas arba išvis išnyksta. Mokslininkai parinko atitinkamo bangos ilgio pavienius fotonus ir pridėjo specialius filtrus, kad sumažintų triukšmą, atsirandantį nuo įprasto interneto srauto.

Neseniai atliktas tyrimas atskleidė kvantinės teleportacijos galimybes realiomis sąlygomis. Eksperimentui buvo įrengtas 30 km ilgio šviesolaidinis kabelis, kurio kiekviename gale buvo po fotoną, ir juo tuo pačiu metu buvo siunčiamas tiek įprastas interneto srautas, tiek kvantinė informacija. Nepaisant didelio interneto srauto, kvantinės informacijos kokybė kabelio gale išliko aukšta. Šis atradimas yra itin svarbus, be to, 2025-uosius paskelbus Tarptautiniais kvantinės fizikos ir technologijų metais, jis padarytas puikiu laiku.

Bet kodėl šis proveržis toks svarbus? Svarbiausia, kad kvantinė teleportacija jau gali veikti per įprastus optinio pluošto tinklus, taigi nebelieka poreikio kurti visiškai naują infrastruktūrą. Tai įrodo, kad klasikinė ir kvantinė komunikacija gali darniai veikti kartu. O galimybė panaudoti kvantinę teleportaciją jau esamose optinio pluošto tinklų sistemose ne tik atveria kelią kurti naujos kartos kvantinius tinklus, bet ir sudaro sąlygas iš esmės pakelti kvantinę komunikaciją į visiškai naują lygį.

Teleportacija užtikrina saugų ryšį

Įsivaizduokite, jei galėtumėte perduoti slaptą užrašą draugui ir nė vienas pašalinis neturėtų galimybės jo perskaityti, net jei užrašas keliautų per pilną žmonių kambarį.

Tai tampa įmanoma naudojant kvantinį šifravimą – vieną iš svarbiausių kvantinės teleportacijos praktinių taikymų. Prieš 140 metų amerikiečių bankininkas Frankas Milleris pasiūlė nenulaužiamą šifrą, vadinamą vienkartiniu bloknotu (angl. one-time pad), kuriame siuntėjas ir gavėjas dalijasi raktais, sudarytais iš atsitiktinių reikšmių. Tačiau šis metodas nebuvo 100 procentų saugus, nes toks raktas turėtų būti siunčiamas ir siuntėjui, ir gavėjui, todėl jį būtų galima perimti. Bet kvantinė sietis, šiandieninės kvantinės teleportacijos pagrindas, leidžia spręsti šią problemą – ji užtikrina, kad dideliais atstumais perduodamos atsitiktinės reikšmės būtų susietos ir negalėtų būti perimtos.

Kvantinė teleportacija leidžia tai padaryti per kvantinių raktų paskirstymo sistemas, kurios užtikrina, kad ryšys būtų praktiškai neįveikiamas pašaliniams, dėl to trečioji šalis negali perimti ar perskaityti atsitiktinio rakto, kol dalelės nepasiekė savo galutinio tikslo. Tad kvantinė teleportacija leidžia saugiai perduoti kvantinius raktus, naudojamus kvantinių raktų paskirstymo protokoluose (pvz., BB84), ir dėl to ryšio kanalai tampa nepažeidžiami, jei pašaliniai bando juos perimti. Kinijos mokslininkai jau 2017 m. išbandė šią technologiją su palydovu „Micius“, siųsdami susietus fotonus į dvi vietas, nutolusias viena nuo kitos per 1200 kilometrų. Tai geras pavyzdys, kaip ateityje atrodys tarpžemyniniai kvantiniai tinklai, kurie savo svarba prilygs pirmajam telefono skambučiui, kadaise sukėlusiam revoliuciją bendravimo srityje.

Sėkmingiausia žmonijos sukurta teorija

Kvantinė teleportacija šiandien naudojama ne tik fundamentiniams kvantinės fizikos tyrimams atlikti pvz., siečiai ir nelokalumui parodyti. Ji leidžia perduoti kvantines būsenas tarp skirtingų kvantinių procesorių ir tobulinti tokias pažangias sritis kaip kvantinis skaičiavimas, kriptografija ir jutikliai.

Kvantinė fizika yra laikoma viena iš sėkmingiausių teorijų, kurias žmonija kada nors sukūrė, bet vis dar kelia ir klausimų. Vienas jų yra matavimo paradoksas: kvantinė būsena, turinti daugybę galimybių, pasikeičia, kai yra stebima, ir mes gauname tik vieną konkretų matavimo rezultatą. Tai kelia abejonių dėl stebėjimo ir informacijos vaidmens mūsų gyvenime ir galbūt privers permąstyti skirtumą tarp stebėtojo ir stebimojo.

Galbūt dėl to ateityje atsiras daugiau įžvalgų apie Šriodingerio katės paradoksą ir kvantinę teleportaciją? Laikas parodys.