Czy teleportacja człowieka stanie się rzeczywistością w XXI wieku? Choć pomysł ten wydaje się futurystyczny, naukowcy już od lat prowadzą badania nad teleportacją stanów kwantowych. Eksperymenty z fotonami i splątanym stanem cząstek pokazują, że manipulacja na poziomie kwantowym jest możliwa, co może prowadzić do innowacji w dziedzinie kryptografii i komputerów kwantowych. W artykule przyjrzymy się dotychczasowym osiągnięciom w tej dziedzinie, wyzwaniom, które wciąż pozostają, oraz potencjalnym zastosowaniom teleportacji w przyszłości.

1-12-2000. Czy w XXI wieku będzie można dokonać teleportacji człowieka, czyli przesłać jego wierną kopię na odległość? Żeby to zrobić, trzeba by najpierw poznać stany kwantowe wszystkich cząsteczek, atomów i elektronów, które składają się na nasz organizm. A potem jakoś je odtworzyć w innym miejscu. Rzecz, wydawałoby się, niemożliwa. A może jednak?

W końcu XX wieku fizycy potrafili już manipulować pojedynczymi atomami, układać z nich różne wzory i struktury. Dowodem słynny, ułożony z atomów, napis IBM. W 1997 roku po raz pierwszy udało się już dokonać prostej teleportacji - stanu polaryzacji fotonu. Udały się też eksperymenty z teleportacją stanów kwantowych atomów. Przyda się to w XXI wieku do szyfrowania i przesyłania sekretnych wiadomości, czyli do kryptografii kwantowej (złamanie takich szyfrów będzie niemożliwe).

Innym zastosowaniem będzie komputer kwantowy, czyli maszyna cyfrowa oparta na prawach mechaniki kwantowej. Rolę podzespołów będą pełnić pojedyncze atomy i cząsteczki, które będą współpracowały ze sobą właśnie za pomocą teleportacji. Takie komputery w mig poradzą sobie z najbardziej dziś skomplikowanymi problemami obliczeniowymi.

Upiorne splątanie

W 1935 roku Einstein wraz z Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem opublikował w "Physical Review" słynny polemiczny artykuł, w którym przeanalizował hipotetyczną sytuację - możliwą z punktu widzenia teorii kwantów, natomiast zupełnie nie do przyjęcia dla fizyki klasycznej oraz zdrowego rozsądku.

Najprościej ukazać ją na przykładzie pary cząstek, np. fotonów, połączonych niepojętą kwantową więzią, którą fizycy nazywają stanem splątanym.

Zgodnie z mechaniką kwantową, dokonując dowolnego pomiaru, np. kierunku polaryzacji fotonu, nie możemy być pewni wyniku. Wiemy tylko, jaka jest szansa na otrzymanie takiej czy innej polaryzacji. Inaczej jest w przypadku fotonów splątanych. Kiedy uda nam się zmierzyć polaryzację jednego z nich, to dla drugiego fotonu z pary wynik pomiaru staje się... pewny. Znamy jego polaryzację bez użycia żadnych przyrządów, choć jeszcze przed chwilą "na dwoje babka wróżyła" - pomiar mógł dać taką lub inną wartość. Ten drugi foton w jakiś niepojęty sposób "wie", że sprawdziliśmy jego towarzysza. I nie ma znaczenia, jak bardzo oddalony jest od niego w momencie pomiaru. Jeden może być na Ziemi, a drugi np. na Księżycu, Marsie czy też jeszcze dalej. Niepojęta więź łącząca oba fotony działa przy tym natychmiast, bez żadnego opóźnienia, na dowolną odległość, i do tego bez żadnego materialnego pośrednika w postaci cząstek, fal lub pól. Einstein nazwał to zjawisko upiornym oddziaływaniem na odległość.

W latach 80. francuski fizyk Alain Aspect przeprowadził eksperymenty, w których dowiódł, że taka dziwna więź rzeczywiście istnieje. A niedawno przestało to być tylko ciekawostką. Dla splątanych fotonów wymyślono już wiele zastosowań - m.in. w teleportacji, kwantowej komunikacji i kwantowych komputerach.

Teleportacja w teorii...

W powieściach science fiction teleportacja jest zjawiskiem powszechnym. Człowiek wchodzi do specjalnej budki, wciska guzik... i momentalnie przenosi się na drugi koniec galaktyki. W przyszłości pewnie będzie to możliwe. Ale na razie fizycy, mówiąc o teleportacji, mają na myśli znacznie mniejsze od człowieka obiekty - pojedyncze cząstki. Chodzi im o przeniesienie na odległość wiernej kopii cząstki i odtworzenie jej w innym miejscu. A to wcale nie takie proste, bo zgodnie z mechaniką kwantową nie możemy poznać pełnego stanu kwantowego cząstki (zakazuje tego zasada nieoznaczoności). Zaś każda ingerencja (w tym pomiar) nieodwracalnie zmienia badaną cząstkę. Jak więc to zrobić?

Po raz pierwszy udało się to Amerykaninowi Charlesowi Bennettowi z ośrodka badawczego IBM w Yorktown Heights w USA na początku lat 90. Stworzył on postać Alicji, która chce wiernie przekazać foton natychmiast, na dużą odległość Bobowi. Bennett dał Alicji taką radę:

Weź parę splecionych fotonów. Niech jeden z nich zostanie u ciebie, a drugi trafi do Boba. To konieczna para pośredników w takiej teleportacji. Wystarczy teraz, żeby foton, który chcemy teleportować, został spleciony z fotonem Alicji. I w tym momencie natychmiast wszystkie cechy tego fotonu przeniosą się do fotonu Boba - za pośrednictwem łańcuszka dziwnej kwantowej więzi łączącej te trzy fotony. Kiedy tylko Alicja dokona splecenia swoich dwóch fotonów - foton Boba stanie się wierną kopią każdego z nich.

...i w praktyce

Pierwszej teleportacji fotonu udało się dokonać zespołowi fizyków z Uniwersytetu w Wiedniu pod wodzą Antona Zeilingera w drugiej połowie 1997 roku. Potem powtórzyło eksperyment wiele innych zespołów. Ale odległości, na jakie udawało się przenosić fotony, nie były imponujące - zaledwie milimetry czy centymetry.

Podstawową trudnością jest w tym wypadku przesłanie splecionych fotonów na duże odległości. W światłowodzie następują zawsze straty. Co gorsza, po drodze osłabia się lub nawet całkowicie gubi splątanie, które łączy oddalające się od siebie fotony. Dysponując zaś słabo splątanymi cząstkami, nie jesteśmy w stanie przeprowadzić teleportacji lub przekazać tajnej informacji. Do dziś największe odległości przesyłania splecionych par to ledwie kilka kilometrów.

Dlatego fizycy wciąż wymyślają nowe sposoby na przesyłanie splątanych par na większe odległości. W jednym z ostatnich numerów "Nature" zespół Zeilingera pokazał po raz pierwszy prostą i praktyczną metodę, co więcej - do zastosowania od zaraz.

Posłużył się zwierciadełkiem, które w połowie fotony światła przepuszcza, a w połowie odbija. To znany od więcej niż stulecia element niezliczonych urządzeń optycznych. W żargonie optyków zwany jest on beam spliterem, czyli rozdzielaczem promienia, w skrócie BS.

Zeilinger wymyślił, jak za pomocą beam splitera oddzielać ziarna od plew, czyli oceniać, które z fotonów są najsilniej splątane (fizycy zwą to oczyszczaniem lub destylacją fotonów). Wystarczy wytworzyć dostatecznie dużo splecionych par fotonów, rozesłać je do odbiorcy wiadomości, a on sam wybierze z rogu obfitości te najlepsze, które nawet po rozstaniu się na dużą odległość nie straciły swej magicznej więzi.

Kwantowa komunikacja - odporna na podsłuch

Tutaj też kluczem są pary splecionych fotonów. Nasi bohaterowie - Alicja i Bob - wymieniają między sobą fotony z par splecionych i mierzą kierunki ich polaryzacji. Otrzymane wartości mogą im potem służyć jako klucz do szyfrowania. Alicja i Bob są przy tym w stanie upewnić się, czy ktoś ich nie podsłuchiwał. Wystarczy, że poświęcą wyniki kilku pomiarów i porównają je ze sobą całkiem jawnie, np. telefonując do siebie.

Wyniki powinny być całkowicie zgodne, bo fotony były przecież ze sobą splecione. Szpieg, który w dowolny sposób mierzyłby polaryzację przesyłanych fotonów, musiałby zniszczyć tę idealną zgodność. Każda różnica staje się więc podejrzana - bo albo wprowadził ją szpieg, albo jest skutkiem zakłócenia w kanale przesyłania informacji (np. w światłowodzie). Oparte na podobnym schemacie protokoły przesyłania danych mogą w przyszłości zrewolucjonizować telekomunikację, znacznie poprawiając stopień bezpieczeństwa i poufności przesyłanych przez nas informacji, np. numerów kont osobistych czy kart kredytowych.

Od przesyłania w przestrzeni stanów kwantowych pojedynczych cząstek do teleportacji stanu kwantowego całego człowieka droga daleka. Ale prawa natury nie zabraniają konstrukcji urządzenia, które byłoby to w stanie zrobić.

(fot. Kadr z filmu „Fly”)

Mariusz Fryckowski