Kvan­ti­nė te­le­por­ta­ci­ja – ar tik­rai in­for­ma­ci­ja sklin­da grei­čiau už švie­są?

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