Kvan­ti­nė te­le­por­ta­ci­ja – ar tik­rai in­for­ma­ci­ja sklin­da grei­čiau už švie­są?

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.