Prejšnji mesec sta milijarder Jurij Milner in astrofizik Stephen Hawking napovedala Breakthrough Starshot: neverjetno ambiciozen načrt, da bi prvo vesoljsko plovilo, ki ga je ustvaril človek, poslal v drug zvezdni sistem v naši galaksiji. Ogromen laserski niz bi lahko z 20% svetlobne hitrosti lansiral napravo velikosti mikročipov na drugo zvezdo. Ni pa jasno, kako bi ta majhna naprava lahko komunicirala z nami skozi ogromen medzvezdni prostor. Kaj pa kvantno zapletanje? Ali ga je mogoče uporabiti za takšno povezavo?
Ta ideja si vsekakor zasluži pozornost.
Predstavljajte si dva kovanca, od katerih lahko vsak pride do glav ali repov. Imate en kovanec, jaz imam drugega in smo zelo daleč drug od drugega. Kovance vržemo v zrak, jih ujamemo in udarimo po mizi. Preden si pogledamo kos, ki je pristal, pričakujemo, da bo 50/50 verjetnost prišla do repov in seveda tudi glav. V navadnem nerazdelanem vesolju bodo vaši rezultati in moji neodvisni drug od drugega. Če pridete do repov, ima moj kovanec 50-odstotno možnost padca glave ali repov. Toda pod določenimi pogoji so ti rezultati lahko zmedeni: če zaženete ta poskus in dobi repo, boste vedeli, da ima moj kovanec stoodstotno možnost, da se prikaže glave, preden vam povem. O tem boste vedeli takoj, tudi če nas ločijo svetlobna leta in ni minila niti ena sekunda.
V kvantni fiziki običajno zapletamo ne kovance, temveč posamezne delce, na primer elektrone in fotone, kjer ima lahko na primer vsak foton spin +1 ali -1. Če izmerite spin enega fotona, takoj prepoznate spin drugega, tudi če je pol vesolja stran od nas. Dokler ne izmerite spin enega fotona, oba obstajata v nedoločenem stanju; toda ko merite enega, takoj veste. Na Zemlji smo izvedli tak eksperiment in ločili dva zapletena fotona na več kilometrov in izmerili njune vrtičke na nanosekundo. Izkazalo se je, da če izmerimo spin enega in se izkaže za +1, ugotovimo, da je spin drugega -1 10.000-krat hitrejši, kot nam lahko dovoli svetlobna hitrost.
In tukaj je vprašanje: ali bi lahko to lastnost - kvantno zapletenost uporabili za komunikacijo z oddaljenim zvezdnim sistemom? Odgovor: da, če štejemo merjenje na oddaljeni lokaciji kot obliko komunikacije. Ko pa rečete, da se povežete, običajno želite vedeti nekaj o kraju, s katerim se povezujete. Lahko na primer zadržite delček v nedoločenem stanju, ga pošljete na krovu vesoljskega plovila bližnji zvezdi in mu rečete, naj išče znake skalnih planetov znotraj območja, v katerem je ta zvezda naseljena. Če ga opazite, opravi meritev, ki vodi do dejstva, da bo vaš delec v stanju +1, če pa ne, potem bo meritev pokazala, da je vaš delec v stanju -1.
Promocijski video:
Predvidevate, da mora biti delček na Zemlji v stanju -1, ko ga merite, kar bo pomenilo, da je vesoljsko plovilo našlo planet v območju, v katerem prebiva, ali v stanju +1, kar pomeni, da ima naprava planet ni najdeno. Če veste, da je bila izvedena meritev, lahko vzamete svojo meritev in takoj veste o stanju drugega delca, četudi je oddaljeno veliko svetlobnih let.
Vzorec vala za elektrone, ki prehajajo skozi dvojno režo. Če izmerite, skozi katero režo elektrona gre, boste uničili vzorec kvantne interference.
Načrt je v redu. Vendar obstaja težava: zapletanje deluje le, če vprašate delce: v kakšnem stanju ste? Če postavite zapleteni delček v določeno stanje, ga zlomite in meritev na Zemlji bo popolnoma neodvisna od meritve oddaljene zvezde. Če ste preprosto izmerili oddaljeni delec (in ugotovili: +1 ali -1), bo tudi vaša meritev na Zemlji -1 oziroma +1 (in bo podala podatke o delcu, ki se nahaja svetlobnih let stran od vas. Če delce potopite v stanje +1 ali -1, potem bo ne glede na rezultat imel vaš delec na Zemlji 50-odstotno verjetnost +1 ali -1 in ne bo povedal ničesar o delcu v mnogih svetlobnih letih.
To je ena najbolj napačno razumljenih stvari v kvantni fiziki: zapletenost se lahko uporablja za pridobivanje informacij o komponenti sistema, ko poznate njegovo polno stanje in izmerite drugo (-e) komponento, ne pa za ustvarjanje in prenos informacij iz enega dela zapletenega sistema v drugega. … Zato ni možnosti za komunikacijo hitreje kot svetloba.
Kvantna zapletenost je neverjetna lastnost, ki jo lahko uporabimo za na tone različnih stvari, kot popoln sistem šifriranja informacij. Toda komunikacija je hitrejša od svetlobe? Da bi razumeli, zakaj to ni mogoče, moramo razumeti ključno lastnost kvantne fizike: da prisilno premetavanje vsaj dela zapletenega sistema v eno stanje preprečuje, da bi z merjenjem preostanka sistema pridobili informacije o tem padcu. Kot je nekoč poudaril Niels Bohr, "če vas kvantna mehanika še ni močno šokirala, je še niste razumeli."
Vesolje ves čas igra kocke z nami, veliko na Einsteinovo žalost. Tudi naše najboljše poskuse goljufanja v tej igri navaja narava.