Професор по физика в Института „Нилс Бор“в Копенхаген, един от пионерите на квантовата телепортация Юджийн Полцик обясни пред РИА Новости къде е границата между „истинския“и „квантовия“свят, защо човек не може да бъде телепортиран и как е успял да създаде материя с „отрицателна маса“.
Преди пет години екипът му за първи път проведе експеримент, за да телепортира не един-единствен атом или частица светлина, а макроскопичен обект.
Наскоро той председателстваше международния консултативен съвет на Руския квантов център (RQC), заменяйки Михаил Лукин, създателят на един от най-големите квантови компютри в света и световен лидер в квантовите изчисления. Според професор Полжик той ще се съсредоточи върху развитието и реализирането на интелектуалния потенциал на младите руски учени и засилването на международното участие в работата на СРС.
Юджин, ще може ли човечеството някога да телепортира повече от единични частици или колекция от атоми или други макроскопични предмети?
- Нямате представа колко често ми се задава този въпрос - благодаря, че не ме питате дали е възможно да телепортирате човек. Най-общо казано, ситуацията е следната.
Вселената е гигантски обект, оплетен на квантово ниво. Проблемът е, че не сме в състояние да "видим" всички степени на свобода на този обект. Ако вземем голям обект в такава система и се опитаме да го разгледаме, тогава взаимодействията на този обект с други части на света ще доведат до това, което се нарича "смесено състояние", в което няма заплитане.
Така нареченият принцип на моногамията действа в квантовия свят. Изразява се във факта, че ако имаме два идеално заплетени обекта, то и двамата не могат да имат толкова силни „невидими връзки“с каквито и да е други обекти от заобикалящия ни свят, както един с друг.
Евгений Полцик, професор в института Нилс Бор в Копенхаген и ръководител на международния консултативен съвет на СРС. Снимка: RCC.
Промоционално видео:
Връщайки се към въпроса за квантовата телепортация, това означава, че по принцип нищо не ни пречи да объркаме и телепортираме обект с размер поне на цялата Вселена, но на практика това ще ни попречи да виждаме всички тези връзки едновременно. Ето защо трябва да изолираме макро обекти от останалия свят, когато провеждаме такива експерименти, и да им позволим да взаимодействат само с „необходимите“обекти.
Например в нашите експерименти беше възможно да се постигне това за облак, съдържащ трилион атоми, поради факта, че те бяха във вакуум и се държат в специален капан, който ги изолира от външния свят. Между другото, тези камери са разработени в Русия - в лабораторията на Михаил Балабас в Санкт Петербургския държавен университет.
По-късно преминахме към експерименти върху по-големи предмети, които могат да се видят с просто око. И сега провеждаме експеримент по телепортацията на вибрации, възникващи в тънки мембрани, изработени от диелектрични материали, измерващи милиметър на милиметър.
Сега, от друга страна, аз лично се интересувам повече от други области на квантовата физика, в които, струва ми се, в близко бъдеще ще настъпят истински пробиви. Определено ще изненадат всички.
Къде точно?
- Всички добре знаем, че квантовата механика не ни позволява да знаем всичко, което се случва в света около нас. Поради принципа на несигурността на Хайзенберг не можем едновременно да измерваме всички свойства на обекти с възможно най-голяма точност. И в този случай телепортацията се превръща в инструмент, който ни позволява да заобиколим това ограничение, прехвърляйки не частична информация за състоянието на обекта, а за целия обект.
Същите закони на квантовия свят ни пречат да измерваме точно траекторията на движение на атоми, електрони и други частици, тъй като е възможно да се установи или точната скорост на тяхното движение, или тяхното положение. На практика това означава, че точността на всички видове сензори за налягане, движение и ускорение е строго ограничена от квантовата механика.
Наскоро разбрахме, че това не винаги е така: всичко зависи от това какво имаме предвид под „скорост“и „позиция“. Например, ако по време на такива измервания използваме не класически координатни системи, а техните квантови колеги, тези проблеми ще изчезнат.
С други думи, в класическата система се опитваме да определим позицията на определена частица по отношение на, грубо казано, маса, стол или някаква друга опорна точка. В една квантова координатна система нулата ще бъде друг квантов обект, с който взаимодейства интересуващата ни система.
Оказа се, че квантовата механика позволява да се измерват и двата параметъра - както скоростта на движение, така и траекторията - с безкрайно висока точност за определена комбинация от свойства на референтната точка. Каква е тази комбинация? Облакът от атоми, служещ като нула на квантовата координатна система, трябва да има ефективна отрицателна маса.
Всъщност, разбира се, тези атоми нямат „проблеми с теглото“, но се държат така, сякаш имат отрицателна маса, поради факта, че са разположени по специален начин един спрямо друг и са вътре в специално магнитно поле. В нашия случай това води до факта, че ускорението на частицата намалява, но не увеличава нейната енергия, което е абсурдно от гледна точка на класическата ядрена физика.
Това ни помага да се освободим от случайните промени в позицията на частиците или скоростта им на движение, които настъпват, когато измерваме техните свойства с лазери или други източници на фотони. Ако поставим облак от атоми с „отрицателна маса“по пътя на този лъч, тогава той първо ще взаимодейства с тях, след това ще прелети през изследвания обект, тези случайни смущения се елиминират взаимно и ще можем да измерваме всички параметри с безкрайно висока точност.
Всичко това е далеч от теорията - преди няколко месеца вече тествахме експериментално тези идеи и публикувахме резултата в списание Nature.
Има ли практически приложения за това?
- Преди година вече казах, говорейки в Москва, че подобен принцип на "премахване" на квантовата несигурност може да се използва за подобряване на точността на работата на LIGO и други гравитационни обсерватории.
Тогава това беше просто идея, но сега тя започна да се оформя. Работим по нейното изпълнение заедно с един от пионерите на квантовите измервания и участник в проекта LIGO, професор Фарид Халили от RCC и Московския държавен университет.
Разбира се, не говорим за инсталиране на такава система върху самия детектор - това е много сложен и отнемащ време процес, а самият LIGO има планове, в които просто не можем да влезем. От друга страна, те вече се интересуват от нашите идеи и са готови да ни изслушат допълнително.
Във всеки случай първо трябва да създадете работещ прототип на такава инсталация, който ще покаже, че наистина можем да преминем границата в точността на измерване, наложена от принципа на несигурността на Хайзенберг и други закони на квантовия свят.
Ще проведем първите подобни експерименти на десетметров интерферометър в Хановер, по-малко копие на LIGO. Вече сглобяваме всички необходими компоненти за тази система, включително стойка, източници на светлина и облак от атоми. Ако успеем, тогава съм сигурен, че нашите американски колеги ще ни изслушат - няма други начини да заобиколим квантовата граница.
Привържениците на детерминираните квантови теории, които смятат, че шансовете не съществуват в квантовия свят, ще считат такива експерименти за доказателство за правилността на техните идеи?
- За да бъда честен, не знам какво мислят за това. Следващата година организираме конференция в Копенхаген за границите между класическата и квантовата физика и подобни философски въпроси и те могат да присъстват, ако искат да представят своето виждане за този проблем.
Аз самият се придържам към класическата копенхагенска интерпретация на квантовата механика и признавам, че вълновите функции не са ограничени по размер. Засега не виждаме признаци, че разпоредбите му някъде се нарушават или противоречат на практиката.
Лаборатория по квантова оптика в Руския квантов център. Снимка: RCC.
През последните години физиците извършиха безброй тестове на неравенствата на Бел и парадокса на Айнщайн-Подолски-Розен, които напълно изключват възможността поведението на обекти на квантово ниво да може да се контролира от някои скрити променливи или други неща извън обхвата на класическата квантова теория.
Например, преди няколко месеца имаше друг експеримент, който затвори всички възможни „дупки“в уравненията на Бел, използвани от привържениците на теорията на скритите променливи. Всичко, което ни остава, е, ако перифразираме Нийлс Бор и Ричард Фейнман, „затвори и експериментирай“: струва ми се, че трябва да си задаваме само онези въпроси, на които можем да отговорим чрез експерименти.
Ако се върнем към квантовата телепортация - предвид описаните от вас проблеми: ще намери ли приложение в квантовите компютри, спътниците за комуникация и други системи?
- Сигурен съм, че квантовите технологии ще проникват все повече и повече в комуникационните системи и те бързо ще влязат в ежедневието ни. Как точно все още не е ясно - например информацията може да се предава както чрез телепортация, така и чрез обикновени оптични линии с помощта на системи за квантово разпределение на ключовете.
Квантовата памет, от своя страна, вярвам, също ще се превърне в реалност след известно време. Най-малкото ще е необходимо да се създадат ретранслатори за квантови сигнали и системи. От друга страна, е трудно да се предвиди как и кога всичко това ще се осъществи.
Рано или късно квантовата телепортация ще стане не екзотика, а ежедневие, което всеки може да използва. Разбира се, едва ли ще видим този процес, но резултатите от неговата работа, включително защитени мрежи за предаване на данни и сателитни комуникационни системи, ще играят огромна роля в нашия живот.
Доколко квантовите технологии ще проникнат в други сфери на науката и живота, които не са свързани с ИТ или физиката?
- Това е добър въпрос, на който е още по-трудно да се отговори. Когато се появиха първите транзистори, много учени вярваха, че те ще бъдат използвани само в слухови апарати. И така се случи, въпреки че сега по този начин се използва само изключително малка част от полупроводникови устройства.
Въпреки това ми се струва, че наистина ще се случи квантов пробив, но не навсякъде. Например, всякакви приспособления и устройства, които взаимодействат с околната среда и измерват по някакъв начин нейните свойства, неизбежно ще достигнат квантовата граница, която вече обсъдихме. И нашите технологии ще им помогнат да преодолеят тази граница или поне да сведат до минимум смущения.
Освен това вече решихме един от тези проблеми, използвайки същия подход с „отрицателна маса“чрез подобряване на датчиците за квантово магнитно поле. Такива устройства могат да намерят много специфични биомедицински приложения - те могат да се използват за наблюдение на работата на сърцето и мозъка, оценка на шансовете за получаване на инфаркт и други проблеми.
Моите колеги от СРС правят нещо подобно. Сега обсъждаме заедно какво сме постигнали, опитвайки се да комбинираме подходите си и да получим нещо по-интересно.
