LOMITTUMINEN ja KVANTTITELEPORTAATIO

Transkriptio

1 LOMITTUMINEN ja KVANTTITELEPORTAATIO Vuonna 1993 tutkijat kehittivät kvanttifysiikan lakeihin perustuvan teoreettisen pohjan kvanttiteleportaatiolle. Kvanttiteleportaatio eli kaukosiirto on kvanttifysikaalinen ilmiö, jossa kvanttihiukkasen (esim. fotoni) tila voidaan teleportoida (kaukosiirtää) välittömästi toiseen, kaukaiseenkin paikkaan. Kvanttimekaanisia hiukkasen ominaisuuksia ovat esimerkiksi energia, polarisaatio ja hiukkasen sisäinen pyöriminen eli spin. Kyseessä on siis aavemainen etävaikutus, Spukhafte Fernwirkung, kuten Einstein asian kriittisesti ilmaisi. Teleportaatiossa ei liiku ainetta eikä energiaa, mutta se on hyödyllinen kvanttitiedonsiirtossa ja kvanttilaskennassa. Kvanttimekaniikassa lomittuminen tarkoittaa kahden tai useamman kvanttisysteemin (esim. hiukkasen tai hiukkasjoukon) ominaisuutta, jossa lomittuneessa tilassa osasysteemeillä on eiklassista korrelaatiota eli riippuvuutta. Kvanttisysteemit ovat lomittuneessa tilassa kietoutuneet toisiinsa. Kvanttilomittuminen tarkoittaa siis sitä, että hiukkasten ominaisuudet ovat sidoksissa toisiinsa. Mittaamalla yhden osasysteemin ennalta tuntematon ominaisuus saadaan tietoa muiden osasysteemien vastaavasta ominaisuudesta. Yhden lomittuneen hiukkasen mittaaminen muuttaa välittömästi toisen lomittuneen hiukkasen tilaa. Jos siis sanomme jotakin yhdestä hiukkasesta, sanomme samalla jotakin sen kanssa lomittuneista hiukkasista. Samoin jos aiheutamme yhdessä lomittuneessa hiukkasessa jonkin muutoksen, aiheutamme muutoksen kaikissa tämän hiukkasen kanssa lomittuneissa hiukkasissa. Tämä muutos tapahtuu välittömästi ja ilman, että hiukkasesta toiseen välitetään informaatiota. Esim. 1. Kvanttinoppien lomittuminen Lomittuneet kvanttinopat. Tieteiskirjallisuuden Kvanttilomittumisgeneraattori kuvassa 1 tuottaa lomittuneita noppapareja (yläkuva kuvassa 1). Näiden noppien pisteluku ei näy ennen kuin nopat havaitaan. Kun yksi noppa havaitaan, se valitsee satunnaisesti esiin silmäluvun. Tämän jälkeen toiseen, kaukana olevaan noppaan ilmestyy sama luku (alakuva kuvassa 1). Nopat ovat kvanttimekaanisesti lomittuneet, ja Albert Einstein sanoi tätä ilmiötä aavemaiseksi kaukovaikutukseksi. (Zeilinger: Fotonien tanssi, Terra Cognita). Kuva 1. Lomittuneet kvanttinopat Kvanttiteleportaatio perustuu lomittumiseen, jossa hiukkasten välinen kytkentä (kvanttisidokset) säilyvät ja informaatiota voidaan hiukkasten avulla siirtää välittömästi kuinka kauas tahansa. Kytkentä (kvanttisidos) tarkoittaa kahden kvanttihiukkasen, kuten esim. elektronin tai protonin, välistä yhteyttä. Yhteyden avulla hiukkaset ovat toistensa kanssa aina samassa tilassa, vaikka ne olisivat eri puolilla maailmankaikkeutta. Toisen hiukkasen tilan mittaus antaa informaation myös toisen hiukkasen tilasta. Lomittunut hiukkanen jättää ympäristöönsä muistijäljen, joka puolestaan vaikuttaa sen tulevaan käytökseen. Näin hiukkaset voivat toimia myös kubitteina eli kvanttibitteinä, joiden avulla informaatiota voidaan lähettää ja lukea. Teleportaatiossa ei siirry ainetta eikä energiaa, vaan ominaisuuksia ja informaatioita.

2 Kvanttiteleportaatio voidaan suorittaa myös fotonien polarisaatiolla tai spineillä (kuva 2). Kuva 2. Fotonien polarisaation tai hiukkasten spinin lomittuminen. Ensimmäisen onnistuneen teleportaatiokokeen fotoneilla eli valokvanteilla suoritti 1997 itävaltalainen Anton Zeilinger. Hän siirsi laserin avulla fotoneiden lomittunutta informaatiota 144 kilometrin matkan Kanarian saarilla. Kvanttikietoutuneet fotonit ammuttiin vastakkaisiin suuntiin ja hiukkasten polarisaatiota mitattiin. Hiukkasten välisen kytkennän todettiin säilyvän. Toinen hiukkanen tuntui ikään kuin tietävän, mitä toiselle hiukkaselle tehtiin. Kun hiukkasen A spin mitattiin kaukana hiukkasesta B, hiukkasen B mitattu spin riippui siitä miten hiukkasen A spiniä oli mitattu. Teleportaatiokokeessa voidaan järjestää jopa niin, että valitaan spinin mittaussuunta hiukkaselle A ja sitä muutetaan sen jälkeen, kun hiukkaset ovat lähteneet matkaan. Muutokset voivat olla niin nopeita, että edes valon nopeudella kulkeva signaali ei ehtisi kertomaan hiukkaselle B mitä hiukkaselle A on tehty. Kun sitten suuren mittausjoukon tuloksia myöhemmin verrataan, huomataan täydellinen korrelaatio hiukkasten A ja B mittaustuloksissa. Toisen hiukkasen havainto siis määrää toisen hiukkasen kvanttimekaanisen tilan, olivatpa hiukkaset kuinka kaukana toisistaan hyvänsä (Rauhala). Zeilinger vertaa lomittumista noppien heittoon; On kuin kaksi noppaa tuottaisi yhtä aikaa kuutosia samalla heitolla, vaikka ne olisivat kuinka kaukana toisistaan. Jos kaksi hiukkasta ovat lomittuneet, niillä on jokin tietty ominaisuus, joka säilyy molemmilla aina samana, vaikka tämä ominaisuus muuttuisikin täysin sattumanvaraisesti. Lomittuneiden fotonien tapauksissa molemmat fotonit ovat aina polarisoituneet samansuuntaisiksi. Yksittäisen fotonin tilaa ei missään vaiheessa tiedetä. Fotonin tila ainoastaan siirretään fotonilta toiselle. Heisenbergin epätarkkuusperiaatetta ei tässä myöskään rikota. Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaanhan hiukkasen tilasta ei voikaan saada täydellisen tarkkaa tietoa. Kvantiteleportaatio ei myöskään ole ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa, jonka mukaan valon nopeutta ei voida ylittää. Teleportaation loppuun saattamiseksi tarvitaan mittaustuloksen välittäminen paikasta A paikkaan B. Tämä vaatii korkeintaan valonnopeudella tapahtuvaa tiedonvälitystä. Ilman tätä niin kutsuttu klassisen kanavan kautta tapahtuvaa tiedonvälitystä ei ole teleportaatiotakaan, joten teleportaatio ei ole ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa. Näin siksi, koska mitään informaatiota ei mittauksista välity. (Ruusuvuori). Yksittäisten hiukkasten tiloja ei voida kuvata itsenäisesti, vaan tila kuvaa koko systeemiä. Bellin epäyhtälöt osoittavat, että kvanttilomittuminen rikkoo lokaalisen realismin. Lokaalisuus eli paikallisuus tarkoittaa, että hiukkaset ovat tietyssä paikassa tiettynä ajanhetkenä eivätkä ne voi vuorovaikuttaa keskenään valoa keskenään valoa suuremmalla nopeudella. Realismi eli reaalisuus tarkoittaa, että fysiikan mittausobjektit ovat olemassa riippumatta siitä, havaitaanko niitä vai ei.

3 Seuraavissa kuvissa 3a ja 3b on esitetty kvanttimekaaninen lomittuminen pallokuvioiden avulla. Kuva 3a. Kuva 3b. Kvanttimekaaninen lomittuminen. Vaikka yhdessä olleet hiukkaset kuvissa 3a ja 3b viedään erilleen toisistaan, niin yhteys (vihreä nuoli) niiden välillä säilyy. Lomittuneiden hiukkasten kytkentä ilmenee, kun toisesta hiukkasesta mitataan jokin sopiva ominaisuus. Tällöin toinen hiukkanen omaksuu välittömästi toisen vastakkaisen ominaisuuden. Kuvissa 3a ja 3b näitä ominaisuuksia on kuvattu eri väreillä ja viivoituksilla. Hiukkaset eivät etukäteen tiedä mitä ominaisuutta niistä mitataan. Kvanttifysiikan mukaan hiukkasten ominaisuudet eivät ole hiukkasissa valmiina, vaan ominaisuudet syntyvät vasta kun ne mitataan. Suoritetaan sitten mittaus. Tulosta ei voi tietää etukäteen (punainen tai viivoitettu sininen), mutta kun se on selvillä, niin toisenkin hiukkasen aaltofunktio romahtaa. Toinen hiukkanen osoittautuu aina punaiseksi ja toinen viivoitetuksi siniseksi. Paitsi, jos mitataankin jotakin muuta ominaisuutta, kuten kuvassa 3b. Silloin hiukkaset ovat viivoitettuja punaisia tai viivoitettuja vihreitä. Kuvissa 3a ja 3b on esitetty siis kaksi lomittunutta hiukkasta, joilla on yhteys keskenään, vaikka mikään informaatio ei kulje niiden välillä. Kokeessa hiukkaset voivat olla fotoneja tai perushiukkasia, esim. elektroneja. Toisen hiukkasen tilan mittaus määrittää aina toisenkin hiukkasen tilan. Yleensä kokeissa lomittuneet hiukkaset syntyvät yhtä aikaa samasta lähteestä, mutta näin ei tarvitse välttämättä olla, kuten kuvassa 4 nähdään. Kuva 4. Ketjuuntunut lomittuminen. Alkutilanteessa kuvassa 4 on kaksi lomittunutta hiukkasparia. Ensimmäisestä parista toinen mitataan ja tulos on punainen. Toinen ketjutetaan toisen hiukkasparin hiukkasen kanssa, jolloin ne lomittuvat. Kakkosparin jäljelle jäänyt hiukkanen osoittautuu viivoitetuksi punaiseksi mitatun hiukkasen lomittuneeksi pariksi (viivoitettu vihreä). Kokeessa ei haittaa, vaikka ensimmäinen hiukkanen tuhoutui mittaustapahtumassa jo ennen kuin jälkimmäinen oli syntynytkään. Lomittumista voi siis ketjuttaa. Aavemaisen yhteydenpidon voi siirtää lomittuneen parin hiukkaselta toisen lomittuneen parin hiukkaseen. Näin tapahtuu, kun molemmista hiukkaspareista yksi hiukkanen viedään yhteen niin, että ne lomittuvat. Jäljelle jääneet ovat yhteydessä, vaikka ne eivät olisi koskaan tavanneetkaan.

4 On myös havaittu, että lomittuneiden hiukkasparien ei tarvitse olla edes yhtä aikaa olemassa. Lomittuminen saadaan toimimaan, vaikka ensimmäisen parin toinen hiukkanen olisi jo mitattu ja mittauksen seurauksena tuhoutunut ennen kuin jälkimmäinen hiukkaspari on syntynytkään. Kun ensimmäisestä parista jäljelle jäänyt hiukkanen lomitetaan uuden parin toisen hiukkasen kanssa (kuva 4), koko neljän hiukkasen systeemistä ainoana ehjänä ulos tuleva hiukkanen osoittautuu alussa ensimmäisenä mitatun hiukkasen lomittumispariksi (viivoitettu sininen, ks. kuvat 3 ja 4). Näin tapahtuu vaikka hiukkaset eivät olisi olleet samaan aikaan edes olemassa. Nykyään on myös yksittäisten atomien teleportaatio mahdollista, seuraavan vuosikymmenen aikana ehkä myös molekyylien. Kvanttiteleportaatio on toteutettu nykyisin mm. kalsiumioneilla ja berylliumioneilla. Kvanttiteleportaation tärkeitä sovelluskohteita tulevaisuudessa ovat kvanttitietokoneet ja kvanttisalaus. Kvanttiteleportaatio on kiinnostava vaihtoehto tulevaisuuden turvalliseksi tiedonsiirtokanavaksi. Sen ylivoimainen ominaisuus on ehdoton turvallisuus. Lähettäjän täytyy tietää täsmälleen, missä vastaanottajan fotoni sijaitsee. Muuten viesti ei mene perille. Ulkopuolisilla ei ole mitään mahdollisuutta kaapata viestisignaalia matkalla. Vaikka viestin purkamiseen tarvittava muu informaatio joutuisi vääriin käsiin, siitä ei ole hyötyä, jos vastaanottavaa fotonia ei pääse havainnoimaan. Vuonna 2006 suoritettiin teleportaatio valosta atomiin. Tutkijaryhmä siirsi kvanttikoodattua informaatiota valosta atomien muodostamaan kaasuun. Tutkijat ovat myös tuhonneet lasersäteen yhdessä paikassa ja luoneet siitä täydellisen kopion toisessa paikassa siirtämällä alkuperäisen säteen kvantti-informaation valon avulla toiseen paikkaan. Tutkijat uskovat kutenkin, että menee mahdollisesti vielä kymmeniä vuosia ennen kuin kvanttiteleportaatiota voidaan todella käyttää tärkeiden tietojen välittämiseen. Suunnitelmissa on myös koe nimeltä Space-Quest, jossa käytettäisiin kansainvälistä ISS avaruusasemaa linkkinä kahden maa-aseman välillä, jolloin etäisyys olisi jo yli 1000 km. Tulevaisuudessa suunnitellaan vastaavia kokeita planeettaluotainten välillä. Kvanttimekaanisella tasolla voidaan siis siirtää eli teleportoida (kvanttimekaanisia) tiloja kahden paikan välillä hyödyntämällä lomittuneisuutta. Makroskooppisilla kappaleilla (ihmiset, eläimet, esineet), on sitä vastoin valtavan paljon mikroskooppisia vuorovaikuttavia hiukkasia, jolloin ovat kvantti-ilmiöt ikään kuin vaimentuneet. Täydellisen kopion luominen ( kloonaus, siirto) ei näin ollen (ainakaan vielä (!)) ole mahdollista. Toimiiko teleportaatio? Voiko esineitä teleportata? Entä ihmisiä? Tieteiskirjallisuudessa ja tv:ssä on usein esillä teleportaatio. Tällöin tarkoitetaan ihmisten tai esineiden siirtämistä paikasta A paikkaan B siten, että siirrettävä esine tai henkilö materialisoituu tyhjästä paikkaan B, samalla kun tämä häviää paikasta A. On myös kuviteltu, että paikkaan B luotaisiin vain täydellinen kopio siirrettävästä kappaleesta alkuperäisen kappaleen jäädessä paikkaan A. Onko kumpikaan tapa mahdollista?

5 Siirron kohteesta on saatava tietoa ja täydellisen kopion luomiseen tarvitaan täydellistä tietoa. Ei siis riitä, että tiedämme esim. siirrettävän kappaleen mitat, painon ja värin, vaan meidän tulee tietää jopa tämän jokaisen rakennehiukkasen tarkka tila. Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan me emme kuitenkaan näiden hiukkasten tilasta ei voi saada mielivaltaisen tarkkaa tietoa. Lienee siis mahdotonta luoda ainakaan täydellistä kopiota kappaleesta edes periaatteessa (Ruusuvuori). Voi hyvin sanoa, että kukaan ei ymmärrä kvanttimekaniikkaa. - Richard Feynman - Lähteet: Zeilinger: Fotonien tanssi, Einsteinista kvanttiteleportaatioon, Terra Cognita, Helsinki 2012 Brian Greene: Kosmoksen rakenne, Avaruus, aika ja todellisuus,terra Cognita, Helsinki 2005 Rauhala: Ruusuvuori: Wikipedia: Luonnon tiedeuutiset: Tekniikka ja talous: Tiede: Tieteen kuvalehti: Digitoday: