Teleportarea tocmai a devenit mai uşoară

Datorită a două noi studii publicate în revista Nature, şansa de realizare a unei teleportări, încununate de succes, a crescut considerabil. Ceea ce este un lucru bun, corect? Indiferent dacă aţi efectuat vreodată un zbor de lungă durată, aţi fost, probabil, fascinaţi de posibilitatea de a putea dispărea, ca prin magie, dintr-un loc şi să reapăreţi în altul.

O întrebare firească pentru un fizician este aceea dacă există vreo posibilitate de a realiza acest lucru în practică.

De fapt, ceea ce este cunoscut sub numele de „teleportare cuantică" a devenit o realitate în anul 1997. Această primă demonstraţie practică a procesului de teleportare a fost realizată pentru particulele ce compun lumina (fotonii). De atunci, fizicienii au aplicat, de asemenea, teleportarea şi la alte lucruri foarte mici, cum ar fi atomii.

Teleportarea încă face parte din domeniul science-fiction, dacă nu sunteţi cumva un foton.
Credit: Photon

În consecinţă, când ne putem aştepta să ne teleportăm pe noi înşine către destinaţia pe care am ales-o? S-ar putea să vă doriţi să vă aşezaţi, înainte de a afla aceasta.

Primul pas pentru realizarea teleportării unei persoane îl reprezintă măsurarea şi înregistrarea poziţiei, direcţiei de mişcare şi a energiei fiecărei particule din corpul acesteia, operaţie care ar necesita un spaţiu de stocare a datelor cu mult mai mare decât va fi disponibil vreodată.

De fapt, o estimare conservatoare ar însemna că am avea nevoie de circa 10²² gigaocteţi (1 urmat de 22 de zerouri) de spaţiu pe hard disk. Aceasta ar reprezenta o stivă de hard diskuri având o înălţime de aproximativ 20 de ani lumină.

Proxima Centauri, cea mai apropiată stea de Pământ în afara Soarelui, se află, aproximativ, la patru ani-lumină depărtare.

Mai rău, nu avem nicio metodă de a putea efectua chiar şi aceste măsurători, să nu mai vorbim de reconstruirea unei persoane, pe baza datelor sale. În consecinţă, noi putem să ne luăm gândul de la posibilitatea de a teleporta oameni.

Cunoaştem de ajuns, dar nu prea mult

Ce ziceţi de ceva foarte simplu, cum ar fi o singură particulă? Ce ziceţi de un atom sau un foton? Cum pot fi acestea teleportate?

Problema ce apare aici o reprezintă principiul de incertitudine al lui Heisenberg, cel care reprezintă o piatră de temelie a mecanicii cuantice şi care stabileşte limitele a ceea ce se poate cunoaşte.

Aceasta ar putea părea contraintuitiv, dar dacă încercaţi să măsuraţi poziţia unui singur atom atunci veţi modifica viteza sa. Dacă aţi afla, cu precizie, cât de repede se mişcă acesta, atunci nu veţi şti unde se află.

Problema este următoarea, dacă doriţi să teleportați o particulă, exact aceste informaţii trebuie să fie măsurate şi transmise.

Un fizician denumeşte această informaţie „starea" unei particule. Dacă nu există posibilitatea să se măsoare starea completă a unei particule, teleportarea pare imposibilă.

În consecinţă, soluţia de realizare a teleportării nu este cunoscută în totalitate. Deşi măsurătorile pe care le efectuaţi nu permit stabilirea poziţiei sau a vitezei, există o soluţie care vă ajută să ocoliţi principiul de incertitudine al lui Heisenberg.

Ce s-ar întâmpla dacă aţi putea perturba particula înainte de a o măsura, astfel încât să nu cunoaştem niciodată starea ei şi apoi să eliminăm aceste perturbări şi să recreăm starea iniţială a particulei?

Aceasta a fost o descoperire, de mare importanţă, pe care fizicianul american Charles Bennett a realizat-o în anul 1993. Soluţia a fost să perturbe particula pe care a dorit să o teleporteze, într-un mod special. Se poate realiza acest lucru prin utilizarea unei perechi de particule, corelate cuantic ***.

Aceste particule sunt legate între ele, astfel încât dacă măsuraţi starea uneia din aceste particule, corelate cuantic, atunci cunoaşteţi şi starea celeilalte particule din pereche.

Alice şi Bob

În descrierea standard a teleportării, Alice teleportează ceva către Bob. Alice utilizează una dintre particulele entanglate cuantic pentru a măsura starea particulei de intrare. Ea înregistrează ceea ce măsoară şi trimite informaţiile la Bob.

Bob nu poate spune care a fost starea particulei, deoarece fenomenul de entanglement utilizat la măsurare ascunde adevărata natură a acesteia.

Ceea ce poate face totuşi Bob este să utilizeze informaţiile de la Alice pentru a modifica starea celeilalte particule din pereche. În acest fel, el poate recrea starea exactă a particulei pe care Alice a măsurat-o iniţial.

Credit: Wikimedia Commons

Acesta este modul în care funcţionează teleportarea cuantică. Majoritatea experimentelor efectuate până în prezent au reuşit teleportarea fotonilor pe o distanţă de un metru sau în interiorul unui laborator, deşi, recent, a avut loc o demonstraţie de teleportare la mai mult de 143 km distanţă, în insulele Canare.


Un sentiment de securitate

Se pare că teleportarea cuantică nu reprezintă doar un truc bun la o petrecere. Modalitatea de comunicare între Alice şi Bob, în cadrul acestui sistem, este destul de interesantă.

Informaţiile pe care Alice le măsoară şi le trimite lui Bob nu pot fi folosite pentru a recrea starea iniţială a unei particule fără utilizarea unei alte particule, corelate cuantic de prima. Aceasta înseamnă că spărgătoarea de coduri Eva nu poate spiona măsurătorile efectuate de Alice pentru a obţine informaţii pentru ea.

O pereche de particule, corelate cuantic, este unică, astfel încât numai Bob poate recrea starea iniţială. În acest mod se obţine o metodă de comunicare securizată.

Dacă codificaţi informaţii în particulele dumneavoastră, le puteţi măsura pentru una din particulele corelate cuantic şi apoi le puteţi trimite către Bob, obţinând în acest mod un sistem criptografic care este securizat, datorită fizicii cuantice. Acesta nu poate fi decriptat prin nicio metodă, atâta timp cât nu ai cealaltă particulă pereche implicată în proces.


Motive pentru a fi vesel

Teleportarea are multe alte aplicaţii în sistemele de informaţii cuantice.

Cele de mai sus reprezintă metodele propuse pentru construirea de calculatoare şi reţele de comunicaţii care folosesc principiile mecanicii cuantice, ca o parte esenţială a funcţionalităţii lor. Ele au un potenţial enorm de a oferi comunicaţii sigure şi calcule ce se desfăşoară cu o mare viteză.

Problema este că oricând doriţi să transferaţi informaţii cuantice dintr-un loc în altul, în cadrul unuia dintre aceste sisteme, nu este posibilă măsurarea acestor informaţii şi trimiterea lor către destinaţia stabilită, deoarece efectuarea unei măsurători va distruge informaţiile. În schimb, le puteţi teleporta.


Înapoi la revista Nature

Două lucrări publicate împreună, în această săptămână, în revista Nature, ne prezintă ceva foarte important.

Până în prezent, procesul de teleportare a fotonilor de lumină, prin metoda descrisă mai sus, a fost de tip probabilistic, pentru că nu se putea sincroniza momentul sosirii fotonilor corelaţi cuantic cu momentul sosirii fotonului ce se măsoară.

În împrejurări întâmplătoare, atunci când fotonii au fost aliniaţi, măsurătoarea a funcţionat doar jumătate din timp. Aceasta înseamnă că de fiecare dată când încercaţi să vă teleportaţi informaţiile, acest proces va funcţiona doar în mod ocazional, mai puţin decât 1% din timpul alocat.

Dacă aveţi o mulţime de circuite de teleportare cuantică în cadrul computerului dumneavoastră sau a unei reţele cuantice, şansa ca toate acestea să lucrează împreună va deveni extrem de mică.

În cadrul acestor două experimente, cele mai recente din domeniu, s-a realizat o teleportare cuantică deterministă în cadrul a două sisteme cuantice diferite, astfel încât procesul nu mai este probabilistic. În schimb, el poate, în principiu, funcţiona de fiecare dată când un foton este pregătit pentru a fi teleportat.

Unul dintre aceste studii recente, realizat de către cercetători din Japonia şi Germania, arată cum se poate realiza teleportarea fotonilor de lumină din spectrul infraroşu, aflat cu puţin sub domeniul lungimilor de undă vizibile pentru ochiul uman.

Celălalt experiment, realizat de cercetători din Elveţia şi Marea Britanie, a demonstrat teleportarea fotonilor din domeniul microundelor având frecvenţe cuprinse între 4 şi 7 GHz.

Niciun sistem de teleportare nu este gata de producţie, în sensul că acestea reprezintă doar dovada funcţionării principiului de teleportare. Deşi teleportarea nu mai este un proces probabilistic, ea incă nu este 100% eficientă, având o şansă de succes de 40% în cazul sistemelor în infraroşu şi de 25% pentru sistemele pe bază de microunde.

Totuşi, ultimele experimente reprezintă o îmbunătăţire importantă în comparaţie cu probabilitatea anterioară de realizare a teleportării de numai 1%. Zborurile actuale pe distanţe lungi vor mai continua o perioadă de timp, dar noile experimente reprezintă o piatră de hotar pe drumul lung către realizarea unui sistem de informare cuantic funcţional.

*** - pe parcursul articolului am folosit pentru sintagma "quantum entanglement" ori variante ale acesteia formulele: "inseparabilitate cuantică" ori "corelare cuantică", funcţie de context.