Czy teleportacja jest możliwa? Tak, ale w świecie kwantowym
„Beam me up” (prześlij mnie) to jedna z najbardziej znanych komend w kultowym serialu „Star Trek”. Tak brzmiało polecenie wydawane przez postać, która zamierzała teleportować się z odległego miejsca kosmosu do statku kosmicznego Enterprise.
Podczas gdy teleportacja ludzi czy przedmiotów jest obecnie możliwa tylko w świecie science fiction, sama teleportacja jest możliwa, ale... w subatomowym świecie mechaniki kwantowej – aczkolwiek nie w taki sposób, jak powszechnie myślimy o teleportacji. W świecie kwantowym teleportacja obejmuje bowiem transport informacji, a nie transport materii.
W 2019 roku naukowcy potwierdzili, że informacje mogą być przekazywane między fotonami w chipach komputerowych, nawet jeśli fotony nie były fizycznie połączone. Teraz, zgodnie z nowymi badaniami naukowców z University of Rochester i Purdue University, okazało się, że teleportacja może być również możliwa między elektronami. W artykule opublikowanym w „Nature Communications” i „Physical Review X” badacze, w tym John Nichol i Andrew Jordan, profesorowie fizyki w Rochester, opisali, jak badają nowe sposoby tworzenia interakcji na poziomie mechaniki kwantowej między odległymi elektronami. Badania są ważnym krokiem w doskonaleniu obliczeń kwantowych, które z kolei mogą zrewolucjonizować świat nauki, dostarczając szybszych i wydajniejszych procesorów i sensorów.
Teleportacja kwantowa to demonstracja tego, co Albert Einstein nazwał kiedyś słynnym „upiornym działaniem na odległość”, a dziś znanym jako splątanie kwantowe. W splątaniu – jednym z podstawowych pojęć fizyki kwantowej – właściwości jednej cząstki wpływają na właściwości innej, nawet jeśli cząstki te dzieli bardzo duża odległość. Teleportacja kwantowa obejmuje dwie odległe, splątane cząstki, w których stan trzeciej cząstki natychmiast „teleportuje” swój stan do dwóch splątanych cząstek. Teleportacja kwantowa jest ważnym środkiem przesyłania informacji w komputerach kwantowych. Podczas gdy typowy komputer składa się z miliardów tranzystorów zwanych bitami, komputery kwantowe kodują informacje w postaci bitów kwantowych lub kubitów. Bit ma jedną wartość binarną, która może wynosić „0” lub „1”, ale kubity mogą mieć jednocześnie wartość „0” i „1”. Zdolność pojedynczych kubitów do jednoczesnego przyjmowania wielu stanów leży u podstaw ogromnej potencjalnej mocy komputerów kwantowych.
Naukowcy niedawno zademonstrowali teleportację kwantową, używając fotonów elektromagnetycznych do tworzenia zdalnie splątanych par kubitów. Kubity zbudowane z pojedynczych elektronów są również obiecujące w przekazywaniu informacji w półprzewodnikach. Tworzenie splątanych par kubitów elektronów, które oddalone są od siebie na rozciągają się dużej odległości, co jest wymagane do teleportacji, okazało się jednak nie lada wyzwaniem: podczas gdy fotony w naturalny sposób rozchodzą się na duże odległości, elektrony są zwykle ograniczone do jednego miejsca.
Aby zademonstrować teleportację kwantową za pomocą elektronów, naukowcy wykorzystali niedawno opracowaną technikę opartą na zasadach sprzężenia wymiennego Heisenberga. Pojedynczy elektron jest jak magnes sztabkowy z biegunem północnym i południowym, który może wskazywać w górę lub w dół. Kierunek bieguna – czy biegun północny jest skierowany w górę, czy w dół – jest znany jako moment magnetyczny elektronu lub stan kwantowy spinu. Jeśli pewne rodzaje cząstek mają ten sam moment magnetyczny, nie mogą znajdować się w tym samym miejscu w tym samym czasie. Oznacza to, że dwa elektrony w tym samym stanie kwantowym nie mogą pozostawać niejako jeden na drugim. Gdyby tak było, ich stany zmieniałyby się w czasie. Naukowcy wykorzystali tę technikę do rozdziału splątanych par elektronów i teleportowania ich stanów spinowych.
Wyniki utorowały drogę do dalszych badań nad teleportacją kwantową obejmującą stany spinowe materii, a nie tylko fotonów i dostarczają dowodów na zaskakująco użyteczne możliwości pojedynczych elektronów w półprzewodnikach kubitowych.
Opracowano na podstawie:
Is teleportation possible? Yes, in the quantum world
