De kwantumwereld is vaak in strijd met het gezond verstand. Nobelprijswinnaar Richard Feynman zei ooit: "Ik denk dat ik gerust kan zeggen dat niemand de kwantummechanica begrijpt." Kwantumteleportatie is slechts een van die vreemde en schijnbaar onlogische verschijnselen.
In 2017 teleporteerden onderzoekers uit China het object de ruimte in. Het was geen man, geen hond, of zelfs maar een molecuul. Het was een foton. Of beter gezegd, informatie die een specifiek foton beschrijft. Maar waarom wordt dit teleportatie genoemd?
Het komt erop neer dat kwantumteleportatie weinig te maken heeft met teleportatie als zodanig. Het is eerder een kwestie van een internet creëren dat niet kan worden gehackt. Maar voordat we direct op deze kwestie ingaan, laten we het hebben over een paradox.
De briljante natuurkundige en auteur van Speciale en Algemene Relativiteitstheorieën, Albert Einstein, beschouwde de kwantummechanica als een gebrekkige theorie. In 1935 schreef hij samen met natuurkundigen Boris Podolsky en Nathan Rosen een artikel waarin hij een paradox definieerde die twijfel doet rijzen over bijna alles wat met de kwantummechanica te maken heeft - de EPR-paradox.
Kwantummechanica is de wetenschap van de kleinste aspecten van het universum: atomen, elektronen, quarks, fotonen, enzovoort. Het onthult paradoxale en soms tegenstrijdige aspecten van de fysieke werkelijkheid. Een van die aspecten is het feit dat je door het meten van een deeltje het "verandert". Dit fenomeen werd uiteindelijk het effect van de waarnemer genoemd: het meten van een fenomeen beïnvloedt het onherstelbaar.
Schematische beschrijving van een experimentele opstelling voor teleportatie van een foton naar de ruimte / China Academy of Sciences.
Om een atoom te observeren, schijnen we er vaak op. De fotonen van dit licht werken in wisselwerking met het deeltje, waardoor de positie, het impulsmoment, de spin of andere kenmerken worden beïnvloed. In de kwantumwereld is het gebruik van fotonen om een atoom te observeren vergelijkbaar met het gebruik van bowlingballen om de pinnen aan het einde van een bowlingbaan te tellen. Als gevolg hiervan is het onmogelijk om precies alle eigenschappen van een deeltje te kennen, omdat de waarnemer tijdens het bestuderen ervan het resultaat beïnvloedt.
Het waarnemer-effect wordt vaak verward met het idee dat bewustzijn op de een of andere manier de werkelijkheid kan beïnvloeden of zelfs creëren. In feite is er niets bovennatuurlijks aan dit effect, aangezien het helemaal geen bewustzijn vereist.
Promotie video:
Fotonen die tegen een atoom botsen, produceren hetzelfde waarnemereffect, ongeacht of ze er naartoe bewegen vanwege acties van de kant van het menselijk bewustzijn of niet. In dit geval is ‘observeren’ eenvoudigweg interactie.
We kunnen geen externe waarnemers zijn. In kwantumsystemen neemt een persoon altijd actief deel, waardoor de resultaten vervagen.
Dit was precies wat Albert Einstein niet leuk vond. Voor hem duidde deze inherente dubbelzinnigheid op een onvolledigheid in de kwantummechanica die moest worden geëlimineerd. De wetenschapper geloofde dat de realiteit niet zo onbetrouwbaar kon zijn. Dit is precies waar zijn beroemde uitdrukking naar verwijst: "God dobbelt niet met het universum."
En niets heeft de zwakte van de kwantummechanica meer benadrukt dan de paradox van kwantumverstrengeling.
Soms kunnen deeltjes op kwantumschaal zo met elkaar verbonden raken dat het meten van de eigenschappen van het ene deeltje onmiddellijk invloed heeft op het andere, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dit is kwantumverstrengeling.
Volgens Einsteins relativiteitstheorie kan niets sneller reizen dan licht. Kwantumverstrengeling leek deze regel echter te overtreden. Als het ene deeltje met het andere verstrengeld is en elke mogelijke verandering die bij een van hen optreedt, het andere beïnvloedt, dan moet er een of andere verbinding tussen beide zijn. Hoe kunnen ze elkaar anders beïnvloeden? Maar als dit onmiddellijk gebeurt, ondanks de afstanden, moet deze verbinding sneller plaatsvinden dan de lichtsnelheid - vandaar de EPR-paradox.
Als je tijdens een experiment met twee spleten probeert te meten door welke spleet een elektron gaat, krijg je geen interferentiepatroon. In plaats daarvan gedragen elektronen zich niet als golven, maar als "klassieke" deeltjes.
Einstein noemde dit fenomeen 'spookachtige actie op afstand'. Het hele veld van de kwantummechanica leek hem even zwak als veronderstelde kwantumverstrengeling. Tot het einde van zijn leven probeerde de fysicus tevergeefs de theorie te 'lappen', maar er kwam niets van terecht. Er viel gewoon niets op te lossen.
Na de dood van Einstein werd herhaaldelijk bewezen dat de kwantummechanica correct is en werkt, ook al is het vaak in tegenspraak met gezond verstand. Wetenschappers hebben bevestigd dat de paradox van kwantumverstrengeling een reëel fenomeen is, en in het algemeen geen paradox. Ondanks het feit dat verstrengeling direct optreedt, kan geen informatie sneller tussen deeltjes worden overgedragen dan de lichtsnelheid.
Hoe verhoudt dit zich allemaal tot kwantumteleportatie? Laten we teruggaan naar ons onderwerp. Feit is dat op deze manier nog steeds informatie kan worden overgedragen. Dit is precies wat onderzoekers uit China in 2017 deden. Hoewel het "teleportatie" wordt genoemd, hebben wetenschappers in feite de overdracht van informatie tussen twee verstrengelde fotonen uitgevoerd.
Wanneer een laserstraal door een speciaal kristal wordt gericht, raken de fotonen die erdoor worden uitgezonden verstrengeld. Dus wanneer het ene foton wordt gemeten in een verstrengeld paar, is de toestand van het andere onmiddellijk bekend. Als je hun kwantumtoestanden als signaaldrager gebruikt, kan informatie tussen twee fotonen worden overgedragen. Dit is eerder gedaan in laboratoria over de hele wereld, maar nooit eerder heeft dit proces op zo'n afstand plaatsgevonden.
Chinese onderzoekers hebben een verstrengeld foton naar een satelliet op 1400 kilometer boven de aarde gestuurd. Vervolgens verstrengelden ze het foton dat op de planeet achterbleef met het derde foton, waardoor het zijn kwantumtoestand naar het foton op de satelliet kon sturen en daarmee het derde foton in een baan om de aarde kopieerde. Het derde foton werd echter niet fysiek naar de satelliet overgebracht. Alleen informatie over zijn kwantumtoestand werd verzonden en hersteld.
Het was dus geen teleportatie in Star Trek-stijl. Maar de grootste doorbraak in dit experiment was niet teleportatie, maar communicatie.
Een quantum-internet op basis van verstrengelde deeltjes zou bijna onmogelijk te hacken zijn. En dat allemaal dankzij het waarnemereffect.
Als iemand een van deze kwantumtransmissies probeert te onderscheppen, zal het in wezen een poging zijn om het deeltje te observeren, dat - zoals we al weten - het zal veranderen. Een gecompromitteerde transmissie zou onmiddellijk zichtbaar zijn, aangezien de deeltjes niet langer verstrengeld zouden raken of de transmissie volledig zou worden vernietigd.
Het Quantum Internet zou een bijna 100% veilig communicatienetwerk zijn. Zonder toegang tot verstrengelde deeltjes zou niemand het kunnen hacken. En als iemand toch toegang zou krijgen tot een van de verstrengelde deeltjes, zouden ze dat onmiddellijk opmerken, aangezien het deeltje zou verdwijnen, wat betekent dat het internet zou stoppen met werken. Dit is hoe het nuttiger kan zijn dan een foton-teleportatieapparaat.
Onderzoekers moesten meer dan een miljoen pogingen doen om iets meer dan 900 deeltjes met succes te verstrengelen. Aangezien fotonen door onze atmosfeer moeten gaan, is de kans groot dat ze in wisselwerking zullen treden met andere deeltjes, daarom zullen ze worden "waargenomen", waardoor verstrengeling wordt geëlimineerd en de transmissie wordt voltooid.
Kwantumteleportatie verliest alle informatie over het originele deeltje, maar creëert een identieke kopie aan de andere kant / & copy; Jim Al-Khalili / Tijdens kwantumteleportatie gaat alle informatie over het originele deeltje verloren, maar aan de andere kant wordt een identieke kopie gemaakt / Jim Al-Khalili.
Zullen we ooit - ergens in de verre toekomst - dezelfde techniek gebruiken om grote objecten of zelfs mensen te teleporteren? In theorie wel. Hierdoor zou elk deeltje in het lichaam op de bestemming met hetzelfde aantal deeltjes verstrengeld raken. Elke staat en positie van al uw deeltjes moet worden gescand en naar een andere locatie worden overgebracht. De wachtende deeltjes raken verstrikt en accepteren de informatie die aan hen wordt doorgegeven, waarbij ze onmiddellijk een toestand aannemen die identiek is aan de oorspronkelijke deeltjes. Dit is in wezen hetzelfde wat er gebeurde met fotonen in het Chinese experiment. Het enige verschil is dat het om elk deeltje in je lichaam gaat.
Je moet echter niet dolgelukkig zijn. Teleportatie is ook onderhevig aan het waarnemereffect. Een scanproces dat al uw deeltjes meet, zou ze allemaal onmiddellijk veranderen. Het is mogelijk dat de veranderingen onaangenaam voor je waren, je zou veranderen in een onherkenbaar kwantumslijm. Je zou op het oorspronkelijke punt ophouden te bestaan en op een ander punt verschijnen - precies hetzelfde, maar met een nieuwe reeks deeltjes. Maar of je jezelf blijft of niet, is een heel andere vraag.
Vladimir Guillen
