Érdekes hír futott végig a sajtón: kínai kutatók 1203 kilométerre sikeresen teleportáltak egy fotont, ami fontos lépés többek között a hipergyors kommunikáció létrehozásához.
A teleportálás nyilván befészkeli magát a laikus elméjébe,
A kínai kísérletben szó sincs teleportálásról és a fénysebességnél gyorsabb kommunikációról – szögezi le a 24.hu-nak Patkós András fizikus, az ELTE Fizikai Intézetének emeritusz professzora, az MTA rendes tagja.
A komoly tudományos és főleg sajtóvisszhangot kapott kísérletben úgynevezett „összefont állapotot” sikerült fenntartani a korábbinál egy nagyságrenddel nagyobb távolságra két eltávolodott kvantumrészecske között.
A kínai fizikusok teljesítményének értékeléséhez tehát mindenek előtt a kvantumállapotok összefonódásának fogalmát kell tisztázni.
NINCS KÉT EGYFORMA, ÉS MÉGIS
Utunk a kvantummechanika, az elemi részecskék világába vezet, ami a laikus számára misztikus, emberi ésszel felfoghatatlannak témának tűnik. A hiba nem bennünk van, sok jelenség előtt a legnagyobb elmék is értetlenül állnak. Könnyen beláthatjuk, hogy köznapi világunkban nincs két egyforma tárgy, ahogy haladunk a részletek felé, egyre-másra bukkannak elő a különbségek – ha közelről nézzük, két tojás sem egyforma.
Most vegyünk egy hélium atomot azzal a tudással, hogy a mag körül található két elektront 4 jellemzővel, úgynevezett kvantumszámmal írhatjuk le. Ha ez a négy jellemző egyezik, a két elektron megkülönböztethetetlen, semmilyen természeti kölcsönhatással nem lehet különbséget tenni közöttük.
Csakhogy Wolfgang Pauli a húszas években elméleti alapelvként vezette be: a hélium két elektronjának csak legfeljebb három jellemzője lehet azonos, a negyediknek mindenképp el kell térnie. Azonos pályajellemzők esetén a különbséget az úgynevezett spinállapot hozza: ha az egyiknél pozitív, a másiknál negatívnak kell lennie.
Megkülönböztetni nem tudjuk a két elektront, mindkettőnél meg kell engedni mindkét lehetőséget, de
Ha az egyik spinállapotát meg tudnánk mérni, a másikét a Pauli-elv miatt már mérés nélkül tudjuk: az ellenkezője. És mindez igaz lenne akkor is, ha a két elektron távol kerülne egymástól – ez az összekapcsoltság a kvantumtulajdonságok összefonódásának egyik korai példája.
Ám a XX. század közepéig a mikrovilág mérettartományában nem tudtak méréseket végezni.
SCHRÖDINGER MACSKÁJA
Az 1970-es évekig kellett várni, míg francia kutatók (Alain Aspect és munkatársai) mérhetővé tették az összefonódást, méghozzá fotonokkal. Az elemi részecskék polarizációja ugyanúgy két állapotban lehet, mint az elektron spinje.
Fotonpárokat hoztak létre kalcium atom gerjesztésével: miközben a gerjesztett két elektron visszaállt az alapállapotba, egy-egy fotont bocsátott ki egymással ellentétes irányba
– magyarázza a professzor.
A fotonok polarizációja haladási irányukhoz képest azonos, de egymáshoz mérten ellentétes: mintha két, egymás felé fordított csavaron fel-le tekernénk az anyacsavart. A fotonok is vagy balra, vagy jobbra csavarodnak, de nem tudjuk, hogy melyik merre, sőt egyszerre mindkét irány azonos esélyű. Azaz abszolút értelemben mindkét fotonban mindkét polarizáltsági állapot benne van.
Itt jön még egy kemény dió: a fotonoknak a mérés, mint fizikai behatás során keletkezik az adott pillanatban érvényes tulajdonsága.
Ám ez esetben vagy mindkét foton haladási iránya körül jobbra cirkulárisan polározott, vagy minkettő balra. A másik két kombináció előfordulási esélye nulla. (Jeleztük az elején, hogy “józan paraszti ésszel” már-már felfoghatatlan…)
A fotonoknál is igaz éppen ezért, hogy ha az egyik polarizációját polárszűrővel sikerül mérni, abból tudjuk a másik polarizáltságát is, akármilyen távolra repült is el.
Viszont a megvalósuló alternatíva az egyik fotonon végzett méréssel a kiválasztás pillanatában a másik fotonra is kihat, az ő polarizációs állapota is egyértelművé válik. Ha valaki ismeri Schrödinger macskáját, hát róla van szó. Ha nem, itt összebarátkozhat vele.
LUFIKÉNT NÖVEKVŐ ÁLLAPOT
Az összefonódás révén a foton ikerpár mért állapota azonos a másikéval, legyen az akár az univerzum egy távoli szegletében. hanem azért, mert a két fotonból álló rendszer keletkezésének pillanatától kezdve egy egészként viselkedik: ha az egyikben a polarizációs tulajdonság egyértelművé vált, az a másikban is létrehozza azt az állapotot.
Ha a Naprendszert egy rendszernek tekintjük és elképzeljük, hogy a Föld valamilyen okból elhagyja a pályáját, kikerül a Nap gravitációs mezejéből, akkor már csak és kizárólag két különálló testként tekinthetünk rájuk, a rajtuk bekövetkező folyamatok nem gyakorolnak hatást a másik égitestre.
Patkós András szavaival: a két ikerfoton egyetlen nagy, makroszkopikus méretre növő kvantumállapotot alkot.
A két részecske egy egész, a lokális mérés a tőle ezer és ezer kilométerre lévő párjában is hatást hoz létre. Olyan, mint ha behajlítanám a jobb hüvelykujjam, és behajlana a bal is.
Miért és hogyan? Ez még a természet Nobel-díjat érő titka. A kvantummechanika matematikai szabályaival az összefonódottságot le tudjuk írni, de nincs bizonyított mechanizmusa kialakulásának és megszűnésének.
NEM TELEPORTÁLTAK SEMMIT
A teleportálás viszont nem a foton (vagy más részecske) átvitele, hanem kvantumtulajdonságainak hibamentes átmásolása egy távoli azonos fotonba (részecskébe), miközben az eredeti foton (részecske) elveszti e tulajdonságait.
Állapotot, tulajdonsághalmazt tehát át tudunk írni egyik fotonról a másikra, de klónozni nem tudjuk. Ugyanakkor meg kell jegyezni azt is, hogy az összefont fotonpárok a teleportáció eljárásában alapvető részegységek
– mondja a professzor.
Két egymástól 1000 kilométernél távolabbra elvált összefont fotonpár elvben használható lesz arra, hogy egy laboratóriumban előkészített harmadik(!) foton tulajdonságát átírják a másik távolban tárolt ikerfotonra.
A kínai kutatók eredménye tehát: a két tibeti obszervatóriumba eredményesen eljuttatták egy 500 km-es magasságú pályán keringő műholdon előállított összefont fotonpár egy-egy tagját egymástól 1203 kilométerre. Fontos technikai jellegű előrelépés az ilyen alapvető kísérletek jövőbeli megvalósításához.
A minden milliomodik fotonpár sikeres célba juttatása és gyakorlatban bizonyítja, hogy megmarad az összefonódottság, a fotonpár egymástól ilyen nagy távolságban is egy egység marad.
Műhold és hegytető azért kellett hozzá, mert a földfelszín közelében ilyen távolságon a fotonokat elnyelte, eltérítette, polarizációs állapotukat megváltoztatta volna a sok légköri zavar.
KÉMEK ELLEN KIVÁLÓ LESZ
A kvantummechanikában egészen biztosan korszakalkotó lehetőségek vannak, ám alkalmazási területeit ma még csak keresgélik a szakemberek – ilyen lehet például a már szelíden említett
Utóbbit is félreértették néhányan, és “pillanatszerű kommunikációról” beszéltek, amely lehetővé tenné a valós idejű kommunikációt mondjuk egy Mars-szondával. Nem erről van szó, összefont kvantumállapotokkal sem lehet fénysebességnél gyorsabb kommunikáció – emeli ki az ELTE professzora.
A kvantumkriptográfia számítógépes rendszerek, kommunikációs csatornák biztonságát szolgálná, most úgy véljük: feltörhetetlen. Mégpedig azon egyszerű oknál fogva, hogy
Fontos viszont hozzátenni: a titkos üzenet elkészítésének és megfejtésének kvantumkulcsát összefont fotonpárokkal szét lehet osztani a két helyszín között, de üzenetet még nem kísérleltek meg elküldeni ilyen nagy távolságra.
(Kiemelt kép: Jin Liwang/Xinhua)
