Mokslo ir technologijų pasaulis

Po­pu­lia­rio­jo­je kul­tū­ro­je te­le­por­ta­ci­ja daž­nai sie­ja­ma su fra­ze „Beam me up, Scotty“. Sa­ko­ma, kad bū­tent taip 𝕊𝕋𝔸ℝ 𝕋ℝ𝔼𝕂 šau­kia ka­pi­to­nas Kir­kas savo vy­riau­sia­jam in­ži­nie­riui Mont­go­me­ry Scottui, pra­šy­da­mas bū­ti su­grą­žin­tas (te­le­por­tuo­tas) at­gal į kos­mi­nį lai­vą Enterprise.
Kaip ir ne­ma­žai vie­šo­jo­je erd­vė­je sklan­dan­čios in­for­ma­ci­jos apie te­le­por­ta­ciją, ši ci­ta­ta ne­tiks­li – net per­žiū­rė­ję vi­sas 79 ori­gi­na­lio­jo Star Trek se­ri­jas, to­kios fra­­zės ne­iš­­gir­s­i­te. Šia­me straip­sny­je pa­ban­dy­si­me pa­nag­ri­nė­ti teleportaciją iš moks­li­nės pu­sės ir iš­si­aiš­kin­ti, ką fi­zi­kai tu­ri ome­ny­je, nau­do­da­mi šį ter­mi­ną moks­li­niuo­se straip­sniuo­se.

Mokslinėje fantastikoje teleportacija – kasdienybė: koks nors kūnas (pavyzdžiui, kapitonas Kirkas) akimirksniu perkeliamas iš vienos vietos į kitą ir net ploti nepradeda. Nors nedažnai taip nutinka, bet šiuo atveju panašus kvantinės teleportacijos terminas naudojamas ir moksliniuose straipsniuose. Atliekami ir sėkmingi kvantinės teleportacijos eksperimentai, o tai, žinoma, kelia didelį visuomenės susidomėjimą (ir sumaištį). Deja, populiarūs šio reiškinio aprašymai dažnai būna netikslūs. Pavyzdžiui, nelabai aišku, kuo kvantinė teleportacija skiriasi nuo teleportacijos, aprašytos mokslinės fantastikos kūriniuose. Lengva sugalvoti ir daugiau klausimų:

• Ar teleportacijos eksperimentuose informacija perduodama greičiau už šviesą?
• Kurie mokslinės fantastikos autoriai teisūs: tie, kurie teleportaciją prilygina klonavimui per atstumą, pavyzdžiui, kaip filme The Prestige, ar tie, kurie teleportuodami kokį nors veikėją jo klonų nesukuria (pvz., seriale Star Trek)? Kitais žodžiais tariant, ar galima klonuoti?

Visi šie klausimai (galbūt šiek tiek juos patikslinus) turi gerai apibrėžtus mokslinius atsakymus. Atsakymų į šiuos klausimus ieškojo (ir surado!) iškiliausi praeito ir šio amžiaus fizikai, tarp kurių ir Albertas Einšteinas. Dar smagiau – į šiuos klausimus atsakyta ne tik teoriškai, atsakymai patikrinti ir eksperimentiškai daugelyje laboratorijų.

Kas nėra teleportacija

Norint suprasti, kas yra teleportacija, verta pagalvoti, kas teleportacija nėra. Galbūt XVIII-ojo amžiaus mokslinės fantastikos gerbėjui faksas atrodytų kaip įtikinama teleportacijos mašina. Fakso aparatas yra senovės laikų (vos vos naujesnių nei XVIII-asis amžius) įrenginys, atliekantis dvi funkcijas:

1. iš lapo nuskenuotą informaciją išverčia į faksų kalbą ir nusiunčia šią informaciją adresatui; originalus popieriaus lapas grąžinamas vartotojui.
2. Gavęs informaciją, adresato faksas ją išspausdina popieriaus lape.

Tikra teleportacija – popieriaus lapas su tekstu ar piešiniu ir netgi parašu, įkišamas į fakso aparatą A ir beveik taip pat atrodantis popieriaus lapas išlenda iš fakso aparato B. Nuožmesnis kritikas išsyk prieštaraus, kad čia ne teleportacija, o jo kertinis argumentas, tikėtina, remsis žodžiu „beveik“. Ir iš tiesų, kapitonas Kirk'as visada teleportuojamas absoliučiai tiksliai – visos jo galūnės lieka savo vietose, neužmirštamas nė vienas plaukas ant galvos, – o fakso aparatas dėl savo ribotos skyros gali kokį nors taškelį ir praleisti.

Žinoma, šiuolaikinės technologijos tobulesnės ir gali pasiūlyti įmantresnių už aptartąjį fakso aparatą įrenginių, galinčių skenuoti ir spausdinti didesne skyra. Galima skenuoti ne tik popierių, bet ir trimačius objektus, informaciją perduoti internetu, ir tada ją atspausdinti 3D spausdintuvu. Visgi, net ir šiuo atveju tikslumas neidealus ir perduotas objektas skirsis nuo originalo. Ir kuo mažesnės detalės, tuo didesni netikslumai – atominio lygio informacijos joks skeneris gerai nenuskaitys. Būsime nenumaldomai griežti: kad procesą laikytume tikra teleportacija, reikalausime absoliučiai tikslios objekto kopijos, o ne apytikslės jo versijos.

Visiškai tiksliai perduoti daiktą iš vienos vietos į kitą galima, tarkime, paštu. Tačiau daiktų gabenimas ilgai trunka. Akivaizdu, kad (ne)rėkdamas „Beam me up, Scotty“, kapitonas Kirk'as visiškai nepageidavo būti supakuotas į dėžę ir į kosminį erdvėlaivį pristatytas per 2–4 darbo dienas. Objektus tam ir teleportuojame, kad paskirties tašką jie pasiektų greičiau, nei gabenant. Tad, galime užrašyti dar vieną akivaizdų apribojimą: daikto pernešimas iš vienos vietos į kitą nėra teleportacija.

Objektas yra jį aprašanti informacija

Taigi, teleportuojamas objektas paskirties tašką turi pasiekti visiškai toks pat (tai yra, jokios jo savybės negali kisti) ir nenaudojant įprastų transportavimo būdų.

Žvelgiant giliau, fizikinis objektas yra ekvivalentus visai informacijai, reikalingai tą objektą pagaminti. Buityje ši idėja nelabai pritaikoma, nes visą informaciją iš kokio nors objekto išpešti sunku. Be to, kaip pamatysime, kvantinė mechanika teigia, kad norint sužinoti visą informaciją apie daiktą, reikia tą daiktą sunaikinti – to niekaip neapeisi.

Žiūrint kasdieniškai, gali atrodyti, kad norint užsiimti teleportacija, tereikia tobulinti jau egzistuojančius įrenginius. Sukonstravus idealų skenerį taške A, kuris perduotų visiškai tikslią informaciją apie kiekvieną kapitono Kirko atomą ir kiekvieno atomo būseną kitam idealiam aparatui taške B, šis, imdamas po vieną atomą iš didelės saugyklos, suteiktų jam identišką būseną, ir taip, atomas po atomo, rekonstruotų (klonuotų) kapitoną Kirką taške B. Atrodo, tai tik technikos klausimas, uždavinys išspręstas. Ką šiuo klausimu galėtų pasakyti kvantų mechanika?

Klonuoti draudžiama

Deja, fizika draudžia ką tik aprašytą schemą. Neįmanoma sukurti tikslios objekto kopijos, nesvarbu, jis gyvas ar ne. Neįmanoma tiksliai klonuoti net ir vienos dalelės! Šį neįtikėtiną teiginį, neklonavimo teoremą, 1982 metais matematiškai įrodė du JAV dirbę fizikai William Woottersas ir Wojciech Żurekas. Su kvantine mechanika susipažinusiems skaitytojams šis rezultatas gali pasirodyti visiškai suprantamas. Juk dėl Heisenberg'o neapibrėžtumo principo, pavyzdžiui, negalima išmatuoti dalelės koordinatės ir greičio tuo pat metu. Todėl, atrodytų, neįmanoma iš objekto ištraukti visos informacijos apie jos būseną, tad neįmanoma pagaminti idealios kopijos – klono.

Teleportaciją nuo griaunančios neklonavimo teoremos galios gelbsti galimybė sunaikinti teleportuojamą objektą taške A prieš atkuriant jį taške B. Kitaip tariant, kvantinė mechanika sako, jog teleportacija, kur objektas klonuojamas (kaip kad filme The Prestige), neįmanoma. Iš kitos pusės, kadangi Star Trek'e teleportuojant žmones jų klonai nesukuriami (nors ir neaišku, kas atsitinka su originaliuoju Kirk'u jo teleportavimo metu), šis serialas neklonavimo teoremos nepažeidžia. Puiku – jau atsakėme į vieną iš straipsnio pradžioje iškeltų klausimų!

Kvantinis supynimas miške

Norėdami grįžti iš mokslinės fantastikos pasaulio į fizikos laboratoriją, turime susigyventi su kvantinės mechanikos keistumynais. Konkrečiai, turime susipažinti su taip vadinamu būsenų supynimu (entanglement; dar lietuviškai vadinamas „susietumu“, „susiejimu“ ar „pintimi“). Giliai suprasti šios kvantinių objektų savybės iš trumpo aprašymo nepavyks. Bet prieš bandant suprasti, kaip veikia kvantinė teleportacija, būtina paragauti bent vienos kvantinio supynimo rūšies. Liaudies išmintis byloja, kad kvantinės mechanikos perprasti beveik neįmanoma, todėl nenustebkite, jei straipsnio pabaigoje keistumo lygis perkops 9000.

Įsivaizduoti, kas yra supynimas, gali padėti toks pavyzdys. Du draugai, arklys ir bebras, gyvena skirtingose miško vietose. Kiekvieną naktį kažkas vienu metu arklio pievoje ir prie bebro urvo padeda po vieno cento monetą. Bebras ir arklys, smalsūs ir inteligentiški miško gyventojai, ne tik susirenka pinigus, bet ir kiekvieną rytą užsirašo, ar rasta moneta buvo atversta herbu (H), ar skaičiumi (S) į viršų. Susitikę ir palyginę savo užrašus, jie mato, kad nors monetos kasnakt buvo dedamos atsitiktinai, jų „ženklai“ būdavo priešingi: kai vienos būdavo atverstas herbas, kita būdavo skaičiumi aukštyn:

Jei šios monetos būtų kvantiniai objektai, sakytume, kad jų būsena, kol nei arklys, nei bebras nepažiūrėjo į savo monetą, yra supinta. Tai reiškia, kad mes nežinome, kieno moneta atversta herbu viršun, bet esame visiškai tikri, kad jei arklys ras H, tai bebras ras S ir atvirkščiai. Vos tik vienas iš gyvūnų pažiūri į savo monetą, iškart žinome abiejų monetų būsenas, o supynimo nebelieka. Ši situacija šiek tiek panaši į žymųjį Schrödinger'io katės uždavinį, kur dėžėje esanti katė tuo pat metu yra ir gyva ir mirusi, kol dėžės niekas neatidaro. Panašumas ne visai tikslus, nes katė supinta pati su savimi, o dvi monetos miške susietos tarpusavyje, bet mūsų nagrinėjimu atveju tai nėra svarbu.

Kvantinėje mechanikoje toks pažiūrėjimas į monetą (arba į katę dėžėje) vadinamas matavimu. Svarbu atkreipti dėmesį, kad objekto matavimas sugriauna jo supynimą su kitu objektu. Taigi, kvantinis supynimas yra dviejų objektų būsena, kai apie kiekvieno iš jų individualią būseną (šiuo atveju – ar moneta atversta skaičiumi ar herbu) nieko nežinoma, bet turima informacija apie tų individualių būsenų sąryšius (šiuo atveju – jei viena moneta herbas, tai kita skaičius).

Iš miško į laboratoriją

Bet čia keistumai tik prasideda. Atkreipsime dėmesį į tris kvantinės mechanikos faktus, kurių paprastomis monetomis lengvai iliustruoti nepavyks:

1. Kvantinė moneta labai skiriasi nuo paprastos monetos. Įprasta moneta gali būti atversta arba herbu, arba skaičiumi. Kvantinė moneta gi nepaprastai keistas daiktas – keistesnis už monetą, stovinčią ant briaunos, – kuris gali būti atverstas herbu, skaičiumi, arba begalybe skirtingų būdų ir herbu, ir skaičiumi tuo pat metu. Net nebandysime paaiškinti, ką reiškia šis teiginys, bet svarbu įsidėmėti, kad kvantinės monetos būsenos visiškai tiksliam aprašymui negana pasakyti „herbas“ arba „skaičius“.
2. Kvantinėje mechanikoje dvi daleles galima supinti ne vienu būdu, kaip matėme arklio ir bebro atveju, o keturiais skirtingais būdais.
3. Gal sunku patikėti, bet nors individualios dalelės matavimas (pažiūrėjimas į monetą) supynimą sunaikina, galima atlikti išsyk dviejų dalelių matavimą (neturintį analogų paprastų monetų pasaulyje), kuris tas dvi daleles supina. Tokį matavimą atliekantis aparatas parodo atsitiktinį skaičių nuo 1 iki 4, kuris atitinka atsitiktinai gamtos konkrečiu atveju parinktą supynimo būdą.

Kvantinei teleportacijai iliustruoti prireiks 3 kvantinių (ne paprastų!) monetų. Kodėl reikia bent trijų, o ne dviejų kvantinių monetų, turėtų pasidaryti aišku iš paveiksliuko ir aprašymo. Viena moneta startinė, mes norime ją teleportuoti. Šios kvantinės monetos būsena bus sunaikinta teleportuojant. Kita moneta bus reikalinga būsenos perdavimui. Trečioji moneta, įvykdžius teleportaciją, taps pirmosios monetos įsikūnijimu kitoje vietoje.

Įsivaizduokime, kad arklys nori bebrui teleportuoti kvantinę monetą C, tai yra, perduoti jos būseną. Kažkoks aparatas išduoda bebrui kvantiškai supintas monetas A ir B. Bebras kvantinę monetą A nusiunčia arkliui. Arklys atlieka klastingąjį dviejų monetų (A ir C) matavimą, kurio metu dingsta supynimas tarp A ir B, bet A pasidaro supinta su C. Šio matavimo metu C praranda savo pradinę būseną ir, kaip jau aptarta, išmatuojamas skaičius nuo 1 iki 4, kurį arklys užsirašo. Kvantinė mechanika garantuoja, kad jei bebras dabar teisingai atliks dar vieną žingsnelį, moneta B įgis pradinę C būseną ir teleportacija bus įvykusi. Tačiau šiai paskutinei procedūrai sėkmingai atlikti būtina žinoti, kaip A supinta su C. Taigi, kad bebras teisingai pasirinktų, ką daryti, arklys turi jam perduoti užsirašytąjį skaičių. Jei taip ir nutinka, pabaigoje turime situaciją, kai bebras letenose laiko kvantinę monetą B, kuri yra ideali pradinės arklio turėtos C kvantinės monetos kopija – teleportacija įvyko!

Ši istorija pirmą kartą eksperimentiškai įgyvendinta 1997 metais Austrijoje, Antono Zeilingerio vadovaujamoje laboratorijoje. Vietoj kvantinių monetų buvo supinamos ir perdavinėjamos šviesos dalelės, fotonai, kurios ir yra kvantinės monetos. Fotonai turi dvi būsenas – skirtingas poliarizacijas. Arklys ir bebras taip ir liko miške, o laboratorijoje jų vaidmenis atliko šviesos detektoriai.

Atkreipkime dėmesį, kaip gudriai pavyko apeiti neklonavimo teoremą – jokiu laiko momentu šioje sudėtingoje istorijoje nėra dviejų kvantinių monetų, turinčių pradinę C būseną vienu metu. Iš tiesų, tarp A ir C supynimo bei galutinės operacijos (kuriai reikalingas skaičius tarp 1 ir 4) jokia moneta neturi pradinės C būsenos. Kitaip tariant, kapitonas Kirkas niekada nebūna dviejose vietose vienu metu, o tam tikrą laiko tarpą (kol perdavinėjama informacija) jis išvis neegzistuoja!

Šis detalus aprašymas taip pat leidžia mums atsakyti į straipsnio pradžioje iškilusį teleportacijos greičio klausimą. Matėme, kad teleportuojant perduoti objekto greičiau už šviesą nepavyks, nes vienas iš esminių žingsnių buvo įprastas informacijos perdavimas, kai arklys turėjo bebrui nusiųsti vieną skaičių (nuo 1 iki 4). Kaip žinome, informacijos perdavimo greitį būtent ir riboja šviesos greitis.

Nuo mokslinės fantastikos šiuolaikinės fizikos pasiekimai skiriasi tik masteliu – fizikai sugeba teleportuoti vieną dalelę laboratorijos viduje, kai mokslinės fantastikos rašytojų galvose šviesmečių atstumu teleportuojami žmonės ar ištisi erdvėlaiviai. Optimistiškai nusiteikęs mokslo entuziastas jums pasakys, kad gyvename kvantinės revoliucijos laikais: mokslinius teleportacijos aspektus jau supratome, belieka sudominti inžinierius, kurie šias žinias pritaikytų iš daugelių atomų sudarytų daiktų teleportavimui tolimais atstumais. Kaip ten bus iš tiesų, pamatysime patys. Tačiau net jeigu jūsų kambaryje netikėtai neatsirado banginis ir vazonėlis petunijų, galite būti ramūs – mokslo progresas kvantinės teleportacijos srityje vis vien vyksta.

Jogundas Armaitis
teorinės fizikos mokslų daktaras, VU