Megdöntötték a teleportálás rekordját

Ilyen kristályokban tárolható a fotonok által hordozott információ

Huszonöt kilométeres távolságra sikerült teleportálni egy foton állapotát. A két részecske összefonódása ekkora távolságban sem szakadt meg, ami jó hír a kvantumkommunikációnak.

A Genfi Egyetem fizikusai a teleportáció 9 km-es rekordját döntötték meg, amelyet szintén ők állítottak fel 10 évvel ezelőtt. Esetükben a teleportáció nem azt jelenti, hogy az egyik helyen valami a szó szoros értelmében eltűnik, a másikon pedig megjelenik – mint a tudományos fantasztikus filmekben –, sokkal inkább az információ közvetítéséről, kvantumállapotok másolásáról van szó.

Az egyik legfurcsább fizikai jelenség

A kvantum-összefonódás a modern fizika egyik legkülönösebb jelensége. Olyan kapcsolatot jelent, amely független a távolságtól. Két összefonódott részecske között misztikus, elemi kapcsolat van: az egyik állapotának megváltozása a másikra is azonnali hatással van, akkor is, ha többgalaxisnyi távolság van közöttük – tehát a fény sem képes ilyen gyorsan közvetíteni az információt.

Ilyen kristályokban tárolható a fotonok által hordozott információ Forrás: GAP, University of Geneva (UNIGE)

Ez kommunikációs szempontból rendkívül ígéretes terület, mert a késés nélküli információtovábbítás nagyon kecsegtető. Az óriási távolság miatt a Curiosity Mars-járóval való kommunikáció például átlagosan 20 percet késik – ez érvényes minden egyes üzenetre, így nehézkes az irányítás.

Lehet-e valami gyorsabb a fénynél?

A kvantum-összefonódás nagy kérdése, hogy sikerül-e majd a gyakorlatban is alkalmazni az azonnali kommunikációt. Llehet-e a fénynél gyorsabban üzenetet küldeni? A tudomány jelenlegi állása szerint nem, mert ez sérthetné a kauzalitást, az ok-okozati összefüggést. Most úgy tűnik, semmi sem lehet gyorsabb a fénynél, ezt bizonyította a fénynél (nem) gyorsabb neutrínók bukása is.

Kauzalitás?

A kauzalitás valószínűleg a legalapvetőbb fizikai törvény, amely legegyszerűbb formájában ennyit állít: az ok megelőzi az okozatot és nem fordítva. A fénynél nagyobb sebességek viszont felboríthatják ezt az alapvető egyensúlyt, egy eseménynek azelőtt lehetne hatása, mielőtt bekövetkezett. Ez a klasszikus fizika jelenlegi állása - és a józan ész - szerint lehetetlen.

A kvantum-összefonódás azonban nem jelenti azt, hogy az összefonódott részecskepár két tagját egymástól eltávolítva az egyikkel "kapcsolható" a másik. A két részecske közötti kommunikáció is a kvantummechanikán alapszik, így nem lehet velük klasszikus üzeneteket küldözgetni. Ha a két összefonódott részecske képes is valamiféle kozmikus távolságokat leküzdő kommunikációra, azt mi sehogy, vagy csak nagyon korlátozottan hasznosíthatnánk.

Fogkefék a táskákban

A Bécsi Egyetem fizikusa, dr. Rainer Kaltenbaek a következőképpen magyarázza a kvantum-összefonódás kommunikációs képességeit. Tegyük fel, hogy mindketten ugyanazon a reptéren vagyunk, és ugyanolyan táskánk van. Csak nekünk van két teljesen ugyanolyan táskánk, senki másnak nincs ilyen az egész világon. Te elmész mondjuk Izlandra, én pedig New Yorkba. Amikor én a hotelben kinyitom a táskám, meglátom benne a te fogkeféd. Ekkor azonnal tudom, hogy a te táskád van nálam, az enyém pedig nálad. Ezt felfoghatjuk úgy, hogy ekkor megmértem a táska kvantumállapotát. Amíg nem nyitom ki, nem tudom, hogy melyik az enyém, és melyik a tiéd. Amikor viszont kinyitottam, megmértem a táskát, a tartalma a ködös kvantumállapotból klasszikussá vált. Ekkor azonnal információt szereztem a nálad, Izlandon lévő táskáról is. Se a te táskád, se az enyém nem változott igazából azzal, hogy kinyitottam, nem teleportálódott át a fogkeféd az enyémbe. Mégis, én csak a nálam lévő táskával való babrálással információt szereztem egy tőlem távol lévő másik táskáról.

Három foton története

A svájci kutatók legfontosabb eredménye az, hogy 25 km-re tudták távolítani egymástól az összefonódott részecskéket anélkül, hogy megtörték volna a köztük lévő kapcsolatot. A két összefonódott foton egyikét elküldték egy hosszú optikai kábelen, a másikat pedig "felfüggesztették" egy kristályban. Eztán egy harmadik fotont küldtek az épp utazó első foton után, és ezek aztán találkoztak.

Azt tapasztalták, hogy a harmadik fotonból származó információ nem tűnt el az első fotonnal való találkozáskor, hanem megjelent abban a kristályban, amely a második fotont tárolta - pedig az első és a második foton közötti kapcsolatot kizárólag az összefonódás biztosította. A harmadik fotonból származó információ tehát "teleportált" az első fotonból a másodikra. Ez az eddigi legnagyobb távolság, amelyen kísérletileg is tapasztaltak kvantum-összefonódást. Eredményeiket a Nature Photonics tudományos szakfolyóiratban publikálták.

2012-ben osztrák kutatók már 143 km-es távolságon is képesek voltak kvantumállapotok teleportációjára, így a 25 km nem is tűnik olyan soknak. A mostani kísérletben viszont szabad fotonból származó információt szilárdtestbe (kristályba) teleportáltak. Ez a kvantumkommunikáció gyakorlati megvalósulása szempontjából jelentősebb eredménynek tekinthető.

A svájci kutatás vezetője, Nicolas Gisin idén elnyerte az egyik legrangosabb svájci kitüntetést, a Marcel Benoist díjat is.