Kineski znanstvenici objavili su ovaj tjedan da su po prvi put uspjeli teleportirati objekt sa Zemlje u svemir – do satelita udaljenog 500 km.
Ovaj poduhvat predstavlja prvi veliki korak prema sigurnim svjetskim kvantnim komunikacijama te možda čak prema kvantnom internetu.
Ne tako davno, još 1990-ih, fizičari su samo spekulirali o mogućnosti teleportacije objekata uz pomoć kvantne fizike. Otada do danas taj je proces toliko usavršen da je postao standardnom operacijom u laboratorijima širom svijeta. U međuvremenu, fizičari su uspjeli izvesti teleportacije čestica na udaljenosti od stotinjak i više kilometara, a prošle godine izvedena je i prva izvan laboratorija.
U novom kineskom eksperimentu taj je proces podignut na višu razinu – ostvarena je teleportacija na rekordnu udaljenost od 500 km, a što je još važnije, izvedena je između postaja na Zemlji i satelita Micius (video dolje prikazuje raniji eksperiment).
Kina je u kolovozu 2016. lansirala Micius upravo kako bi mogla testirati različite kvantne tehnologije kao što su kvantna sprega, kriptografija i teleportacija.
Što je kvantna teleportacija?
Prije svega treba istaknuti da kvantna teleportacija nije isto što i teleportacija koju smo navikli vidjeti u SF serijalu Zvjezdane staze. Ona se ne koristi za transport objekata ili njihovih sastavnih dijelova poput atoma s jednog mjesta na drugo, već za prijenos kvantnih stanja. Temelji se na fizikalnoj pojavi koja se naziva kvantna prepletenost u kojoj je par ili više kvantnih objekata poput fotona, elektrona ili atoma povezan na takav način da sačinjavaju jedinstven sustav. Drugim riječima, to je pojava u kojoj su prostorno razdvojeni kvantni sustavi opisani zajedničkom valnom funkcijom. Oni se takvi mogu stvoriti ili se mogu povezati raznim metodama. Primjerice, u slučaju zajedničkog stvaranja, jedna subatomska čestica sa spinom nula može se raspasti u dvije međusobno prepletene čestice sa spinom od 1/2 na takav način da će spinovi biti međusobno suprotnog smjera. Na taj način u svemiru je očuvan izvorni spin čestice koji je iznosio nula jer je zbroj dvaju prepletenih i dalje nula.
U priči o teleportaciji posebno je zanimljivo to da u trenutku stvaranja prepletenih čestica ne znamo koja ima koji smjer spina ili neko drugo temeljno svojstvo zbog principa neodređenosti, koji je otkrio i opisao Heisenberg (princip kaže da nikada ne možemo više temeljnih komplementarnih svojstava čestice, kao što su primjerice položaj i impuls, znati precizno i istovremeno). No ako te dvije čestice razdvojimo, čak i na goleme udaljenosti od više stotina kilometara ili možda na dva kraja svemira, u trenutku kada provedemo eksperiment na jednoj od njih i otkrijemo smjer njezina spina (čime utječemo na nju), druga će isti tren pokazati da ima suprotan spin. Na taj način, na temelju spoznaje o spinu jedne čestice, možemo točno znati spin druge. Drugim riječima, svojstvo spina određene čestice možemo teleportirati na veliku daljinu.
Čestice se također mogu spregnuti na takav način da u konačnici imaju identična svojstva. Primjerice, prvo se isprepletu čestice B i C, a potom čestica B s česticom A. Rezultat je da čestica C, koja je isprepletena s česticom B, poprima stanje suprotno onom čestice B, ali identično izvornom stanju čestice A.
Ovo svojstvo kvantne prepletenosti Einstein je, mada je bio jedan od utemeljitelja kvantne fizike, nazvao 'sablasnim djelovanjem na daljinu' i u početku ga je smatrao nemogućim. No eksperimenti su s vremenom pokazali da je prepletenost stvarna.
U ovom kontekstu valja napomenuti da je prepletenost vrlo teško ostvariti s većim objektima, čak i s molekulama, a kamoli s većim tijelima. Teoretski za teleportaciju ne postoji neka maksimalna udaljenost, pa ni ograničenje za veličinu objekta, što znači da bi se, barem u načelu, mogla teleportirati stanja svih pojedinačnih svojstava atoma nekog organizma, čime bi se teleportirao organizam. Za početak bi to mogli biti virusi, a kasnije možda i ljudi. Međutim, prepletenost je izuzetno osjetljiva, tako da se vrlo lako može prekinuti, a kvantna stanja svih čestica od kojih je neki organizam sastavljen tehnološki je jako komplicirano i teško replicirati. Stoga teleportaciju ljudi ne treba očekivati u nekoj bliskoj budućnosti.
Praktična primjena - sigurna komunikacija
No teleportacija i kvantna prepletenost imaju moguće primjene u sadašnjosti. Jedna od njih je poboljšanje sigurnosti prijenosa tajnih informacija. Za ilustraciju recimo da Ivica i Marica žele razmijeniti neku poruku na najsigurniji mogući način. Oni će u tu svrhu poslati kriptografski ključ kvantnim kanalom upravo uz pomoć prepletenih fotona. Ako netko pokuša presresti ovaj ključ, zakoni kvantne mehanike spriječit će to 'prisluškivanje' - utjecaj na bilo koji od prepletenih fotona odmah će narušiti prepletenost i 'upad' u kanal bit će registriran.
Cilj razvoja ove tehnologije je da se jednoga dana stvore globalne internetske veze koje bi bile potpuno sigurne od svih hakerskih upada.
Kineski eksperiment
U novom eksperimentu kineski su fizičari na Zemlji stvarali oko 4000 prepletenih parova fotona u sekundi. Jedan iz svakog para bio je zadržan na Zemlji, a drugi je bio poslan na satelit. Kako bi smanjili utjecaj smetnji u 10-ak kilometara atmosfere, zemaljsku postaju postavili su na Ngariju na Tibetu na visini od preko 4.000 metara. Udaljenost Miciusa od zemaljske postaje varirala je od 1400 km, kada je satelit bio na horizontu, do 500 km kada je bio točno iznad. Skupine fotona slane su oko ponoći svakoga dana kada je satelit bio najbliže. Tijekom 32 dana poslali su na milijune parova fotona. Konačno su na Zemlji i u orbiti mjerili fotone. Kako bi potvrdili rezultate, testirali su polarizaciju prepletenih fotona, čija su polarizacijska stanja, kao i kod spinova čestica, strogo korelirana sukladno zakonima kvantne mehanike. Analiza je potvrdila pozitivne rezultate u 911 slučajeva.
Jedna od ključnih stvari koje su kineski znanstvenici u ovom i ranijim eksperimentima morali osigurati bila je da turbulentna atmosfera neće uništiti prepletenost. To je ostvareno visinom baze, ali i sofisticiranom tehnologijom prilagodljive optike koja mjeri turbulencije u stvarnom vremenu i poništava njihove efekte. U eksperimentu su također korišteni posebni filtri kojima su eliminirane kontaminacije sjaja Mjeseca i svjetlosnih zagađenja sa Zemlje.
„Ovaj rad temelj je za prvo povezivanje na relaciji Zemlja-satelit s ciljem kvantne teleportacije na ultra velike razdaljine i suštinski je korak naprijed prema stvaranju kvantnog interneta na globalnoj razini“, objavio je kineski tim.
Da su za distribuciju parova prepletenih fotona na Zemlji bila korištena optička vlakna, na udaljenostima od preko 1200 km, gubici snage signala bili bi toliki da bi se mogao prenositi samo po jedan par u sekundi. Novom tehnologijom, tvrdi kineski tim, uspjeli su osigurati efikasnost veću za 12 redova veličine u odnosu na postojeće tehnologije.
U sljedećem koraku Kinezi planiraju provesti testove za dnevnog svjetla, što znači da će trebati eliminirati značajno veću svjetlosnu kontaminaciju.
Novim ostvarenjem Kina je učvrstila svoju poziciju velikog igrača u globalnoj tehnološkoj industriji u ovom području. Europa i SAD trenutno zaostaju za njom.
Ovaj poduhvat predstavlja prvi veliki korak prema sigurnim svjetskim kvantnim komunikacijama te možda čak prema kvantnom internetu.
Ne tako davno, još 1990-ih, fizičari su samo spekulirali o mogućnosti teleportacije objekata uz pomoć kvantne fizike. Otada do danas taj je proces toliko usavršen da je postao standardnom operacijom u laboratorijima širom svijeta. U međuvremenu, fizičari su uspjeli izvesti teleportacije čestica na udaljenosti od stotinjak i više kilometara, a prošle godine izvedena je i prva izvan laboratorija.
U novom kineskom eksperimentu taj je proces podignut na višu razinu – ostvarena je teleportacija na rekordnu udaljenost od 500 km, a što je još važnije, izvedena je između postaja na Zemlji i satelita Micius (video dolje prikazuje raniji eksperiment).
Kina je u kolovozu 2016. lansirala Micius upravo kako bi mogla testirati različite kvantne tehnologije kao što su kvantna sprega, kriptografija i teleportacija.
Što je kvantna teleportacija?
Prije svega treba istaknuti da kvantna teleportacija nije isto što i teleportacija koju smo navikli vidjeti u SF serijalu Zvjezdane staze. Ona se ne koristi za transport objekata ili njihovih sastavnih dijelova poput atoma s jednog mjesta na drugo, već za prijenos kvantnih stanja. Temelji se na fizikalnoj pojavi koja se naziva kvantna prepletenost u kojoj je par ili više kvantnih objekata poput fotona, elektrona ili atoma povezan na takav način da sačinjavaju jedinstven sustav. Drugim riječima, to je pojava u kojoj su prostorno razdvojeni kvantni sustavi opisani zajedničkom valnom funkcijom. Oni se takvi mogu stvoriti ili se mogu povezati raznim metodama. Primjerice, u slučaju zajedničkog stvaranja, jedna subatomska čestica sa spinom nula može se raspasti u dvije međusobno prepletene čestice sa spinom od 1/2 na takav način da će spinovi biti međusobno suprotnog smjera. Na taj način u svemiru je očuvan izvorni spin čestice koji je iznosio nula jer je zbroj dvaju prepletenih i dalje nula.
U priči o teleportaciji posebno je zanimljivo to da u trenutku stvaranja prepletenih čestica ne znamo koja ima koji smjer spina ili neko drugo temeljno svojstvo zbog principa neodređenosti, koji je otkrio i opisao Heisenberg (princip kaže da nikada ne možemo više temeljnih komplementarnih svojstava čestice, kao što su primjerice položaj i impuls, znati precizno i istovremeno). No ako te dvije čestice razdvojimo, čak i na goleme udaljenosti od više stotina kilometara ili možda na dva kraja svemira, u trenutku kada provedemo eksperiment na jednoj od njih i otkrijemo smjer njezina spina (čime utječemo na nju), druga će isti tren pokazati da ima suprotan spin. Na taj način, na temelju spoznaje o spinu jedne čestice, možemo točno znati spin druge. Drugim riječima, svojstvo spina određene čestice možemo teleportirati na veliku daljinu.
Čestice se također mogu spregnuti na takav način da u konačnici imaju identična svojstva. Primjerice, prvo se isprepletu čestice B i C, a potom čestica B s česticom A. Rezultat je da čestica C, koja je isprepletena s česticom B, poprima stanje suprotno onom čestice B, ali identično izvornom stanju čestice A.
Ovo svojstvo kvantne prepletenosti Einstein je, mada je bio jedan od utemeljitelja kvantne fizike, nazvao 'sablasnim djelovanjem na daljinu' i u početku ga je smatrao nemogućim. No eksperimenti su s vremenom pokazali da je prepletenost stvarna.
U ovom kontekstu valja napomenuti da je prepletenost vrlo teško ostvariti s većim objektima, čak i s molekulama, a kamoli s većim tijelima. Teoretski za teleportaciju ne postoji neka maksimalna udaljenost, pa ni ograničenje za veličinu objekta, što znači da bi se, barem u načelu, mogla teleportirati stanja svih pojedinačnih svojstava atoma nekog organizma, čime bi se teleportirao organizam. Za početak bi to mogli biti virusi, a kasnije možda i ljudi. Međutim, prepletenost je izuzetno osjetljiva, tako da se vrlo lako može prekinuti, a kvantna stanja svih čestica od kojih je neki organizam sastavljen tehnološki je jako komplicirano i teško replicirati. Stoga teleportaciju ljudi ne treba očekivati u nekoj bliskoj budućnosti.
Praktična primjena - sigurna komunikacija
No teleportacija i kvantna prepletenost imaju moguće primjene u sadašnjosti. Jedna od njih je poboljšanje sigurnosti prijenosa tajnih informacija. Za ilustraciju recimo da Ivica i Marica žele razmijeniti neku poruku na najsigurniji mogući način. Oni će u tu svrhu poslati kriptografski ključ kvantnim kanalom upravo uz pomoć prepletenih fotona. Ako netko pokuša presresti ovaj ključ, zakoni kvantne mehanike spriječit će to 'prisluškivanje' - utjecaj na bilo koji od prepletenih fotona odmah će narušiti prepletenost i 'upad' u kanal bit će registriran.
Cilj razvoja ove tehnologije je da se jednoga dana stvore globalne internetske veze koje bi bile potpuno sigurne od svih hakerskih upada.
Kineski eksperiment
U novom eksperimentu kineski su fizičari na Zemlji stvarali oko 4000 prepletenih parova fotona u sekundi. Jedan iz svakog para bio je zadržan na Zemlji, a drugi je bio poslan na satelit. Kako bi smanjili utjecaj smetnji u 10-ak kilometara atmosfere, zemaljsku postaju postavili su na Ngariju na Tibetu na visini od preko 4.000 metara. Udaljenost Miciusa od zemaljske postaje varirala je od 1400 km, kada je satelit bio na horizontu, do 500 km kada je bio točno iznad. Skupine fotona slane su oko ponoći svakoga dana kada je satelit bio najbliže. Tijekom 32 dana poslali su na milijune parova fotona. Konačno su na Zemlji i u orbiti mjerili fotone. Kako bi potvrdili rezultate, testirali su polarizaciju prepletenih fotona, čija su polarizacijska stanja, kao i kod spinova čestica, strogo korelirana sukladno zakonima kvantne mehanike. Analiza je potvrdila pozitivne rezultate u 911 slučajeva.
Jedna od ključnih stvari koje su kineski znanstvenici u ovom i ranijim eksperimentima morali osigurati bila je da turbulentna atmosfera neće uništiti prepletenost. To je ostvareno visinom baze, ali i sofisticiranom tehnologijom prilagodljive optike koja mjeri turbulencije u stvarnom vremenu i poništava njihove efekte. U eksperimentu su također korišteni posebni filtri kojima su eliminirane kontaminacije sjaja Mjeseca i svjetlosnih zagađenja sa Zemlje.
„Ovaj rad temelj je za prvo povezivanje na relaciji Zemlja-satelit s ciljem kvantne teleportacije na ultra velike razdaljine i suštinski je korak naprijed prema stvaranju kvantnog interneta na globalnoj razini“, objavio je kineski tim.
Da su za distribuciju parova prepletenih fotona na Zemlji bila korištena optička vlakna, na udaljenostima od preko 1200 km, gubici snage signala bili bi toliki da bi se mogao prenositi samo po jedan par u sekundi. Novom tehnologijom, tvrdi kineski tim, uspjeli su osigurati efikasnost veću za 12 redova veličine u odnosu na postojeće tehnologije.
U sljedećem koraku Kinezi planiraju provesti testove za dnevnog svjetla, što znači da će trebati eliminirati značajno veću svjetlosnu kontaminaciju.
Novim ostvarenjem Kina je učvrstila svoju poziciju velikog igrača u globalnoj tehnološkoj industriji u ovom području. Europa i SAD trenutno zaostaju za njom.
