A fénysebességnél gyorsabb kommunikáció történhetett egy kísérlet során

Fantasztikus kísérleti eredményről adott hírt a Nature tudományos hetilap: a Genfi Egyetem kutatói egy úgynevezett összecsatolt fotonpár tagjait külön-külön továbbították két, egymástól 18 kilométerre fekvő településre. Az ikerpár tagjai, a fotonok a megérkezés helyén úgy viselkedtek, mintha tudnának egymásról. A csoportot vezető Nicolas Grisin meglepő és őszinte nyilatkozatot tett: "Számomra, becsszóra, ennek semmi értelme. Nem hiszem, hogy ma azt állíthatnánk, jól el tudjuk mondani, hogy mindez hogyan történt".

A kvantumvilágban két összecsatolódott részecske kényszerhelyzetben van: ha a pár egyik tagját méréssel valamely egyértelmű kvantumállapotba hozzuk, akkor a pár másik tagja, a másik részecske kénytelen az előzőével ellentétes állapotot elfoglalni. Szemléletesen: ha az egyik az óramutató járásával megegyezően pörög, akkor a másik azonnal az ellenkező irányba kényszerül forogni. Ha az egyik forgásirányát megváltoztatjuk, akkor a másik is azonnal változtat a forgásán, hogy egy pillanatra se legyenek azonos állapotban. Akkor is így viselkednek, így reagálnak egymásra, ha távol kerültek egymástól. Összecsatolt párt hoztak már létre fény és fény (foton és foton), atom és atom, sőt atom és fény között.

A svájci kísérlet eredménye összhangban van a kvantummechanika törvényeivel, egyúttal rámutat arra, hogy a kvantummechanika nem érthető hétköznapi észjárásunkkal. Két ember összehangolhatja cselekedeteit, ha beszélnek egymással, vagy mindketten egy harmadik féltől kapnak instrukciókat. Az információtovábbítás sebessége maximum eléri, de nem haladja meg a fénysebességet. De hogyan kommunikált egymással a két foton?

Satigny és Jussy településen a kutatócsoport egyidejűleg mérte a két foton több jellemző tulajdonságát, és igazolódott a kvantummechanika. Valóban azonnal egymással ellentétes állapotokat foglaltak el, mintha különös módon tudnának arról, milyen állapotban van a másik. Ha valahogyan "kommunikáltak" egymással, akkor csak a fénysebességnél százszor gyorsabban tehették volna, ez pedig csaknem minden fizikus szerint lehetetlen. A kísérletet úgy tervezték, hogy néhány elképzelhető megoldást tisztázzanak. Így kizárták azt, hogy a két foton még a Genfből való elindulás előtt cserélt volna információt, kizárták a Föld forgásának esetleges hatását is.

Terence Rudolph (Imperial College, London) elméleti fizikus azt mondta a Nature hírszolgálatának, hogy szerinte a kvantummechanika egyes elemei "meghaladják a téridőt", ezt olvassa ki a kísérletből. Szerinte az emberek túlzottan nagy, nem megérdemelt jelentőséget tulajdonítanak annak a 3 tér- és 1 idődimenziónak, amelyben élünk. "Azt hisszük, hogy a tér és az idő fontos, mert ilyenfajta majmok vagyunk" - mondta.

Gisin bízik abban, hogy az elméleti fizikusok találnak majd magyarázatot a különös jelenségre. Az előzetes közleményhez rövid idő alatt sok hozzászólás érkezett, benne fantasztikusnál fantasztikusabb ötletekkel.

Egy felhasználási lehetőség: kvantumszámítógépek

Ma kettes számrendszerben tároljuk az információt, a bit számértéke 0 vagy 1 lehet. A kvantumszámítógépben a "qubit" az egység, ez a 0 és az 1 között minden értéket felvehet, ezeknek a szuperpozíciója. Az információt mikroszkopikus rendszer, pl. egy atom vagy egy ion elektronállapotai őrzik. A kvantumvilág fent bemutatott különös jelenségének, az összecsatolódásnak köszönhetően a qubitek között kapcsolat van, függnek egymástól. Az egyik qubit állapotának megmérése (kiolvasása) azonnal hatással van a vele összecsatolódott másik qubitre.

Qubitek eltérő kvantumállapotai

A kvantumvilág fantasztikus lehetőségeket kínál, de az akadályok is nagyok. A kvantumszuperpozíció addig marad stabil, míg nem hat kölcsön a környezetével. Ezért a kvantumrendszert nagyon alacsony hőmérsékletre hűtik le, óvni kell a szórt elektromágneses terektől is. Gyakorlati tapasztalat szerint ilyen védőintézkedések mellett is mindössze néhány másodpercig tartható csak fenn a qubitek állapota. A zavartalan működéshez tehát el kell szigetelnünk a kvantumrendszert a környezetétől, viszont az adatok bevitele és az eredmények kiolvasása csak a környezetből történhet. Erre az ellentmondásra egyelőre még nincs megoldás.

2002-re fő vonalaiban tisztázódott a kvantumszámítógépek elméleti háttere, a gyakorlati megoldás azonban még bizonytalan. Jelenleg elsősorban csapdába ejtett atomokkal vagy ionokkal kísérleteznek. A kísérletek egy részében a qubiteket az ionok elektronállapotai hordozzák, az összecsatolt állapotot lézerrel hozzák létre. Az eredmény kiolvasása szintén lézerrel történik. Mások csapdába ejtett ionok helyett semleges atomokkal kísérleteznek; az atomok közti kölcsönhatás gyengébb, de a környezettel is kevésbé hatnak kölcsön. Lézernyalábokkal atomok százait lehet rácsba rendezni, köztük is lehet összecsatolódott állapotokat teremteni. Szupravezető eszközre alapozott kvantumszámítógépen is gondolkodnak (a szupravezetés maga is kvantumjelenség). Optikai megoldás is elképzelhető, ebben a fotonok kvantumállapotai hordozzák az információt. A félvezető anyagokon létrehozott "kvantumpöttyökből" könnyebbnek tűnik nagyobb számítógép építése, a környezettel is egyszerűbb ezeket összekötni. (A "kvantumpöttyök" a valaha készített legkisebb, mérhető áramot hordozó gyűrűk. A mindössze 50 milliárdod méter átmérőjű gyűrűk erős kvantumjelenségeket mutatnak, amikor mindössze egy vagy két elektront tartalmaztak. Néhány tudós reméli, hogy a "kvantumpöttyök" lehetnek a kvantumkomputerek memóriájának alapjai - a szerk.)

Néhány éve még távoli, bizonytalan lehetőségnek tűnt a kvantumszámítógép megalkotása, számos szakértő szerint azonban 2020-ra már elkészülhetnek. Valószínűleg nem váltják le a mai gépeket, csak néhány különleges területen alkalmazzák majd őket. Forradalmi újdonságot hozhat, hogy segítségükkel más kvantumrendszereket lehet majd szimulálni. Kvantum-szimulátorban leírhatjuk és megjósolhatjuk molekulák és anyagok szerkezetét, viselkedését - a kvantumszámítógéppel elsőként vegyészek, az anyagtudomány szakemberei és biológusok dolgoznak majd. A fizikusok például a magas hőmérsékletű szupravezetést modellezhetik.

A nagy számok prímszámokra bontását is nagyságrendekkel gyorsabban végezheti el egy kvantumszámítógép, mint a mai gépek. Ez a matematikai feladat meghatározó az információk titkosításában és a fordított feladatban, a kódfeltörésben. Mások a nagy adatbázisokban való keresésre dolgoztak ki algoritmust kvantumszámítógépek számára.