Fizycy odkrywają sekret zdalnego sterowania kwantowego

Teleportacja to jedno z bardziej niezwykłych zjawisk w świecie kwantowym. Umożliwia obiektowi kwantowemu, takiemu jak foton lub elektron, przemieszczanie się z jednego miejsca do drugiego bez przechodzenia przez przestrzeń pomiędzy nimi.

Teleportacja to standardowa procedura w każdym przyzwoitym laboratorium mechaniki kwantowej. Fizycy używają go na co dzień do komunikacji kwantowej i obliczeń kwantowych.

Jeśli brzmi to egzotycznie, jeszcze niczego nie widziałeś; teleportacja stanie się o wiele dziwniejsza. To dlatego, że do tej pory fizycy byli w stanie teleportować tylko pojedyncze cząstki, pojedynczo. Dzisiaj Christine Muschik z Mediterranean Technology Park w Barcelonie wraz z grupą przyjaciół twierdzi, że opracowali sposób ciągłego teleportowania rzeczy kwantowych.

To pozwoli im manipulować jedną cząstką kwantową, jednocześnie obserwując efekty zachodzące w innej cząstce w innym miejscu. To w zasadzie pilot kwantowy.

Podstawowa konfiguracja jest prostym rozszerzeniem tradycyjnej teleportacji. Jest to możliwe dzięki dziwnemu zjawisku kwantowemu znanemu jako splątanie, które występuje, gdy dwie cząstki kwantowe są ze sobą tak głęboko powiązane, że dzielą to samo istnienie.

W kategoriach matematycznych obie cząstki są opisane jedną funkcją falową. Tak więc każda manipulacja jedną cząsteczką automatycznie wpływa na drugą natychmiast, niezależnie od odległości między nimi.

Teleportacja następuje, gdy pierwsza z tych splątanych cząstek wchodzi w interakcję z inną cząstką kwantową, nazwijmy ją X. Ta interakcja natychmiast wpływa na stan drugiej splątanej cząstki.

Sztuczka, którą fizycy dopracowali do perfekcji, polega na zorganizowaniu tej interakcji tak, aby druga splątana cząstka znalazła się w tym samym stanie, co cząstka kwantowa zwana X. To nie jest tylko bardzo podobny stan, to jest identyczny stan — żaden pomiar nie może odróżnić ta cząsteczka z oryginalnego X. Kiedy to się dzieje, X został teleportowany.

Nowa technika działa w podobny sposób. Najpierw fizycy tworzą parę splątanych cząstek. Następnie umieszczają jedną cząsteczkę w zmiennym polu magnetycznym, aby wpłynąć na jej stan.

Nowa sztuczka, którą odkryli, polega na zorganizowaniu tego eksperymentu tak, aby manipulacja pierwszą cząsteczką powodowała zmianę stanu jej splątanego partnera w ten sam sposób.

Innymi słowy, wykorzystują pole magnetyczne w jednym obszarze przestrzeni do ciągłego kontrolowania stanu cząstki w innym miejscu przestrzeni. Lub, jak ujęli to Muschick i współpracownicy: pokazujemy, w jaki sposób zdolność do wykonywania operacji kwantowych w sposób ciągły i deterministyczny może być wykorzystana do wywołania nielokalnej dynamiki między dwiema oddzielnymi stronami.

Nowa technika opiera się na subtelnej sztuczce. Fizycy od dawna wiedzą, że splątanie jest delikatną rzeczą – pomiar jednej z par niszczy połączenie między nimi, dlatego fizycy byli w stanie teleportować tylko pojedyncze cząstki, pojedynczo.

Rzeczywiście, jest to ogólny problem w świecie kwantowym — kichnij, a niszczysz kwantową naturę systemu, który badasz.

Jednak w ostatnich latach fizycy odkryli, jak manipulować obiektami kwantowymi bez niszczenia ich kwantowej natury. Sztuką jest bardzo delikatnie je szturchnąć. Robienie tego w sposób ciągły ostatecznie prowadzi do znaczącej zmiany przy jednoczesnym zachowaniu charakterystyk kwantowych systemu.

Przełomem, którego dokonali Muschik i spółka, jest opracowanie tego samego rodzaju delikatnych szturchnięć w splątanym systemie, co natychmiast prowadzi do zdalnego sterowania kwantowego.

To ciekawe i potencjalnie ważne osiągnięcie z jednym zastrzeżeniem — nowa praca jest całkowicie teoretyczna. Jednak wydaje się, że nie ma żadnego powodu, dla którego nie można by teraz spróbować zdalnego sterowania kwantowego w przyzwoitym laboratorium optyki kwantowej. Rzeczywiście, różni członkowie tego zespołu mają dostęp do dokładnie tego rodzaju obiektów, które można wykorzystać do przetestowania pomysłu.

Trudno uwierzyć, że ci faceci nie spędzili kilku godzin na majstrowaniu przy lustrach i ściereczkach do obiektywów, próbując sprawić, by to zadziałało. Być może więc możemy być dość optymistycznie nastawieni do doświadczania weryfikacji eksperymentalnej raczej wcześniej niż później.

Bardziej interesującym pytaniem jest, czym może się okazać zastosowanie zdalnego sterowania kwantowego. Możliwość kontrolowania stanu obiektów kwantowych na odległość powinna mieć ogromne zastosowanie. Być może czytelnicy tego bloga zechcą zasugerować kilka z nich w sekcji komentarzy poniżej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1304.0319 : Kwantowa teleportacja dynamiki i efektywne interakcje między zdalnymi systemami

ukryć