Teletransportul cuantic. Știința depășește imaginația și rescrie infrastructura internetului

Născut dintr-o constrângere bugetară, producătorii voiau să evite costul filmărilor cu nave aterizând, dispozitivul de beaming a depășit cu mult ecranul televizorului, devenind un mit cultural cu viață proprie. Acum mai bine de treizeci de ani, un grup de fizicieni căutau un nume pentru o idee cu adevărat revoluționară: cum să transferi stările cuantice ale unor particule către alte particule aflate la distanță, fără niciun contact fizic între ele.

Inspirați de ficțiune, au ales expresia teletransportul cuantic. De atunci, ideea a parcurs drumul de la abstracțiune matematică la experiment verificat în laborator, și nu numai.

Oamenii de știință chinezi au demonstrat în 2017 că teletransportul cuantic funcționează până la altitudinea orbitei joase terestre, conectând un satelit cu o platformă experimentală din Tibet.

O altă definiție a transportului

Confuzia cu teleportatorul din Star Trek este tentantă, dar înșelătoare. Teletransportul cuantic nu mișcă materie, ci transferă o stare cuantică, o descriere matematică a informației despre o particulă, precum nivelul de energie al unui electron sau polarizarea unui foton. Cu alte cuvinte, nu tu călătorești, ci „rețeta, formula” ta cea mai profundă.

Miza nu este, deci, o cabină de teleportare. Miza este o nouă arhitectură a calculului și a comunicării. „Natura este, în esență, cuantică”, spune Jason Orcutt, cercetător principal la IBM Quantum. „Tu ești informație cuantică.”

Qubiții și orizontul problemelor de nerezolvat

Calculatoarele obișnuite gândesc în biți — zerouri și unu, alb sau negru. Lumea cuantică refuză această simplificare. Qubiții, unitățile de informație cuantică, pot exista simultan în starea zero și unu, până în momentul măsurării, printr-un fenomen numit superpoziție. Mai mult, qubiții se pot „înlănțui” între ei astfel încât măsurarea unuia afectează instantaneu starea celuilalt, indiferent de distanța dintre ei.

Această proprietate (entanglementul cuantic) este inima teletransportului. Și ea deschide orizonturi neașteptate. Există probleme atât de complexe încât calculatoarele clasice ar avea nevoie de o perioadă egală cu vârsta universului pentru a le rezolva, avertizează Orcutt. Calculatoarele cuantice ar putea simula în schimb reacții chimice moleculare cu precizie remarcabilă. Aplicațiile sunt de la sinteza mai eficientă a îngrășămintelor agricole până la materiale revoluționare încă neimaginabile.

Alice, Bob și misterul cutiei de globuri de zăpadă

Protocolul clasic al teletransportului cuantic se explică, de obicei, prin povestea a doi cercetători, Alice și Bob. Ei împart o pereche de particule înlănțuite cuantic. Alice măsoară simultan cubitul ei de date și jumătatea sa din perechea înlănțuită. E o operație numită măsurătoare Bell, distrugând cubitul original, dar extragând din el informație clasică, pe care o trimite lui Bob prin canale convenționale. Daniel Oblak, specialist în informație cuantică la Universitatea din Calgary, ilustrează pasul următor cu o metaforă neașteptat de domestică: e ca și cum ai primi instrucțiuni despre cum să întorci corect o cutie de globuri de zăpadă. Bob aplică operația indicată de Alice asupra jumătății sale din perechea înlănțuită și obține exact starea cuantică pe care Alice a vrut să i-o transmită. Informația a călătorit fără ca vreo particulă să se fi deplasat fizic.

Descoperirile recente, de la teorie la cablu de fibră optică

Dacă până acum teletransportul cuantic părea destinat infrastructurii specializate și costisitoare, cercetările din ultimele luni au schimbat fundamental perspectiva. Inginerii de la Northwestern University au demonstrat pentru prima dată că teletransportul cuantic poate fi realizat printr-un cablu de fibră optică deja ocupat cu trafic obișnuit de internet, pe o distanță de 30 de kilometri, fără ca informația cuantică să fie perturbată de milioanele de particule de lumină ce transportă comunicațiile clasice.

„Aceasta este o descoperire incredibil de interesantă, deoarece nimeni nu credea că este posibil”, a declarat profesorul Prem Kumar de la Northwestern University. „Munca noastră arată un drum către rețele cuantice și clasice de generație următoare care să împartă o infrastructură comună de fibră optică”.

Implicațiile sunt enorme: nu mai este nevoie de o rețea separată, construită de la zero, pentru comunicațiile cuantice. Internetul pe care îl folosim astăzi ar putea deveni, cu ajustările tehnice potrivite, suportul fizic al internetului cuantic de mâine.

Prima teleportare între două puncte cuantice diferite

O altă piatră de hotar a fost atinsă recent de un consorțiu internațional de cercetători europeni. Pentru prima dată, starea de polarizare a unui foton produs de un punct cuantic a fost transferată cu succes unui alt punct cuantic aflat la o locație fizică separată, folosind o legătură optică de 270 de metri în spațiu liber între două clădiri universitare.

Experimentul a atins o fidelitate a stării teleportate de până la 82 ± 1 procente, valoare care depășește limita clasică cu mai mult de zece deviații standard, demonstrând că procesul de teletransport cuantic a funcționat în mod fiabil. „Teletransportul cuantic cu succes între doi emițători cuantici independenți reprezintă un pas vital către releele cuantice scalabile și, astfel, către implementarea practică a unui internet cuantic”, a explicat profesorul Jöns de la Universitatea Paderborn.

Cinci stări teleportate simultan. China stabilește un nou record

Dacă teleportarea unui singur foton părea deja remarcabilă, cercetătorii de la Universitatea Shanxi din China au dus lucrurile mai departe. O echipă condusă de Xiaolong Su a demonstrat teleportarea simultană a cinci stări cuantice, depășind limitarea anterioară prin care putea fi teleportată o singură stare la un moment dat.

Metoda lor se bazează pe controlul atent al fazei a două canale de comunicație clasică, combinat cu frecvențe reglabile, permițând teleportarea a până la cinci qumodes laterale într-o bandă de 24 MHz. Vatra MCP Este un salt de la telefonul cu fir la autostrada cu mai multe benzi. Comunicațiile cuantice capătă capacitate și scalabilitate.

Și omul? Rămâne deocamdată pe peron

Întrebarea inevitabilă: s-ar putea teletransporta vreodată o ființă umană? Răspunsul experților este, cu toată bunăvoința, descurajant. Ar fi necesară transferarea stării cuantice a fiecăruia dintre miliardele de miliarde de atomi ai corpului uman. În plus, existența la destinație a unui „depozit” de atomi gata să fie reconfigurați. Este o perspectivă pe care Oblak o descrie drept „de neimaginat în orice orizont de timp previzibil”.

Dincolo de obstacole tehnice, filosofia adaugă o întrebare și mai spinoasă: persoana care apare la destinație este aceeași persoană sau o copie perfectă a celui care a dispărut? În mecanica cuantică, teorema „non-clonării” interzice copierea unei stări cuantice necunoscute. Teletransportul ocolește această interdicție distrugând starea originală înainte de a o transmite. Astfel, starea teleportată este, în sens strict, „aceeași”, nu o replică. Dar dacă identitatea umană nu se reduce la informație cuantică, atunci s-ar putea ca teletransportul să însemne, în fapt, sinucidere urmată de nașterea unei dubluri convinsă că ești tu.

„Totul e speculație pură”, recunoaște Orcutt. „Deocamdată, întrebarea dacă poți teleporta un om sau măcar un atom, rămâne ferm în domeniul ficțiunii științifice”.

În loc de concluzie

Teletransportul cuantic nu va umple garderoba astronauților cu salopete de tip Enterprise. Cu toate acestea, promite ceva poate mai valoros. O rețea cuantică globală construită pe infrastructura de internet care există deja. Mai mult, calculatoare capabile să dezlege enigmele materiei, și o înțelegere mai profundă a naturii realității. Pașii făcuți în ultimele luni, de la Roma la Paderborn, de la Northwestern University la Shanxi, arată că distanța dintre laborator și aplicație s-a scurtat dramatic.

Universul, se dovedește, gândește în qubiți. Noi abia începem să-i descifrăm limba.