Ziemia i cztery planety wewn膮trz czarnej dziury

Czas na kwantow膮 rewolucj臋

Jak dzia艂a teleportacja kwantowa i jakie skutki b臋dzie mia艂o wykorzystanie stan贸w spl膮tanych w komunikacji? Co uda艂o si臋 osi膮gn膮膰 chi艅skim naukowcom i jakie to ma znaczenie dla nas?

17 sierpnia 2016 roku. Rakieta Chang Zheng-2D (D艂ugi Marsz 2D) startuj膮ca z kosmodromu Jiuquan, zbudowanego po艣r贸d gor膮cych piask贸w pustyni Gobi, wynosi w przestrze艅 niezwyk艂y 艂adunek: sztucznego satelit臋 Micius (z chi艅skiego: Mozi lub Mo Di). Obiekt opracowany przez naukowc贸w z Chi艅skiej Akademii Nauk oraz Akademii Lot贸w Kosmicznych z Szanghaju (odpowiedzialnej za rakiet臋) to maszyna pod wieloma wzgl臋dami pionierska. To pierwszy element planowanej przez Pa艅stwo 艢rodka kwantowej sieci komunikacyjnej i kryptograficznej.

Satelita Micius po kr贸tkim locie trafia na heliosynchroniczn膮 orbit臋 (czyli tak膮, na kt贸rej umieszczony obiekt przelatuje nad konkretnym miejscem Ziemi zawsze o tym samym czasie miejscowym) z perygeum na wysoko艣ci 488 km i apogeum 584 km. W jego 艂adowni umieszczona jest niezwyk艂e dok艂adna aparatura pomiarowa zdolna do rejestracji stanu kwantowego cz膮stek elementarnych, a tak偶e szereg emiter贸w i transmiter贸w spl膮tanych foton贸w. Wyniesiony na orbit臋 Micius, nazwany tak na cz臋艣膰 chi艅skiego filozofa Mocjusza (Micius to jego imi臋 w j臋z. angielskim) 偶yj膮cego na prze艂omie V i IV w. p.n.e. cierpliwie oczekiwa艂 na rozkazy z Ziemi.

W czerwcu 2017 roku taki rozkaz nadszed艂, aparatura pomiarowa zosta艂a uaktywniona a ze zlokalizowanej w tybeta艅skiej miejscowo艣ci Nqari, 4 km nad poziomem morza stacji nadawczej pop艂yn膮艂 strumie艅 foton贸w, kt贸rych spl膮tane stany mia艂y by膰 odnotowane w艂a艣nie przez aparatur臋 umieszczon膮 na orbituj膮cym ok. 500 km nad powierzchni膮 naszego globu satelicie Micius.

Naukowcom z Chin uda艂a si臋 nie lada sztuka: teleportowali oni kwantowo stan cz膮stki, dok艂adniej fotonu. Z Ziemi na orbit臋 naszej planety. Cho膰 eksperymenty zwi膮zane z teleportacj膮 kwantow膮 by艂y wykonywane ju偶 w ubieg艂ym wieku, to po raz pierwszy uda艂o nam si臋 przenie艣膰 stan cz膮stki na tak du偶膮 odleg艂o艣膰 (nawet 1400 km). Co nam to daje? Przede wszystkim nadziej臋 na b艂yskawiczn膮 i w pe艂ni bezpieczn膮, szyfrowan膮 komunikacj臋. W tradycyjnej kryptografii zachowanie poufno艣ci wymienianej pomi臋dzy stronami informacji wymaga艂o najpierw wymiany klucza szyfruj膮cego za pomoc膮 zaufanego kana艂u informacyjnego. Innymi s艂owy, strony komunikuj膮ce si臋 za pomoc膮 szyfru musz膮 najpierw uzgodni膰 klucz. Dzi臋ki kwantowemu spl膮taniu problem bezpiecznego, zaufanego kana艂u przestaje mie膰 znaczenie, gdy偶 to w艂a艣nie sam stan spl膮tany jest takim zabezpieczeniem. Pr贸ba nas艂uchu teleportacji kwantowej jest z g贸ry skazana na pora偶k臋.

QUESS – wszystko zacz臋艂o si臋 w 2001 roku

Misja satelity Micius to cz臋艣膰 projektu znanego pod nazw膮 QUESS (Quantum Experiments at Space Scales). W 2001 roku dwie plac贸wki naukowe: wiede艅ski Instytut Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej (IQOQI) oraz 聽Chi艅ska Akademia Nauk (CAS) zacz臋艂y niezale偶nie pracowa膰 nad systemem kwantowej komunikacji. Pierwszy znacz膮cy rezultat osi膮gn臋li austriaccy badacze, przesy艂aj膮c stan kwantowy, czy raczej qubit na dystansie 144 km. Innymi s艂owy przeprowadzili w艂a艣nie teleportacj臋 kwantow膮 na t臋 odleg艂o艣膰. Qubit by艂 przes艂any za pomoc膮 艂膮cza 艣wiat艂owodowego, jednak do dalszych test贸w konieczne by艂o przetestowanie kwantowej 艂膮czno艣ci satelitarnej. Austriacy pr贸bowali zainteresowa膰 swoimi badaniami Europejsk膮 Agencj臋 Kosmiczn膮 (ESA), jednak ESA nie by艂a zainteresowana partycypacj膮 w tym eksperymencie. Wiede艅scy naukowcy zacz臋li zatem szuka膰 partner贸w naukowych poza Europ膮. Znale藕li ich w Chinach. Chi艅ska Akademia Nauk r贸wnie偶 pracuj膮ca nad kwantow膮 komunikacj膮 zaoferowa艂a technologiczne i finansowe wsparcie w zakresie opracowania odpowiedniego satelity. Porozumienie naukowe sankcjonuj膮ce wsp贸艂prac臋 nad projektem QUESS podpisano w 2011 roku.

Chi艅czycy zbudowali wa偶膮cego 600 kg satelit臋 zasilanego przez dwa rozk艂adane panele solarne. Koszt ca艂ej misji, 艂膮cznie z samym satelit膮 wyni贸s艂 r贸wnowarto艣膰 oko艂o 100 milion贸w dolar贸w. Satelita Micius b臋dzie realizowa艂 swoje zadania orbitalne co najmniej przez dwa lata. W trakcie tego czasu przetestowane zostan膮 tak niezwyk艂e urz膮dzenia jak m.in.: komunikator klucza kwantowego, kwantowy nadajnik spl膮tany, spl膮tane 藕r贸d艂o foton贸w i kwantowy procesor steruj膮cy.

Ca艂y program QUESS przewiduje przeprowadzenie nast臋puj膮cych eksperyment贸w: transmisja, czy w艂a艣ciwie: teleportacja kwantowa z satelity do stacji naziemnej i vice versa oraz sprawdzenie globalnej komunikacji kwantowej z wykorzystaniem satelity jako kwantowego repeatera. Testy teleportacji kwantowej pomi臋dzy ziemi膮 a satelit膮 i odwrotnie mamy ju偶 za sob膮 i wiemy, 偶e zako艅czy艂y si臋 one sukcesem. Przed nami jeszcze eksperyment maj膮cy potwierdzi膰 skuteczno艣膰 kwantowej 艂膮czno艣ci na odleg艂o艣膰 co najmniej 7500 km, pomi臋dzy chi艅sk膮, a austriack膮 plac贸wk膮 badawcz膮.

Co w艂a艣ciwie zrobili Chi艅czycy?

schemat eksperymentu orbitalnej teleportacji kwantowej
Schemat ilustruj膮cy przebieg chi艅skiego eksperymentu z teleportacj膮 kwantow膮 foton贸w (fot. CAS)

Przyjrzyjmy si臋 powy偶szemu schematowi obja艣niaj膮cemu przebieg teleportacji fotonu na odleg艂o艣膰 do 1400 km. T艂em schematu (a) jest zdj臋cie przedstawiaj膮ce naziemn膮 stacj臋 nadawczo-odbiorcz膮 w Ngari w Tybecie. Ramka (b) pokazuje zesp贸艂 urz膮dze艅 przygotowuj膮cych zestawy foton贸w do teleportacji kwantowej. Ramka (c) to antena nadawcza przesy艂aj膮ca sygna艂 do satelity (d), kt贸ry dysponuje pok艂adowymi systemami umo偶liwiaj膮cymi analiz臋 polaryzacji i odczyt stanu cz膮stek.

Odleg艂o艣膰 od satelity i t艂umienie sygna艂u
Wykres obrazuj膮cy odleg艂o艣膰 stacji naziemnej od satelity i mierzone t艂umienie przesy艂anego sygna艂u (fot. CAS)

Powy偶szy wykres obrazuje t艂umienie kwantowej transmisji podczas trwaj膮cego 350 sekund przelotu satelity nad chi艅sk膮 stacj膮 nadawcz膮. Najwy偶sza zmierzona strata sygna艂u wynosi ~ 52 dB przy odleg艂o艣ci 1400 km. Z kolei najmniejsza zmierzona strata sygna艂u to ~ 41 dB przy odleg艂o艣ci ok. 500 km. Podczas chi艅skiego eksperymentu naukowcy przes艂ali do satelity miliony foton贸w. Stan spl膮tany uda艂o si臋 odczyta膰 jedynie w 911 przypadkach, co oznacza, 偶e w艂a艣nie tyle razy uda艂o si臋 przeprowadzi膰 kwantow膮 teleportacj臋 pomi臋dzy naziemn膮 stacj膮 nadawcz膮 a chi艅skim satelit膮.

No… super, ale czym jest teleportacja kwantowa?

Teleportacja kwantowa nie jest tym, do czego przyzwyczai艂a nas literatura i kinematografia SF. Nie jeste艣my w stanie przenie艣膰 fizycznie jakiegokolwiek obiektu za pomoc膮 teleportacji. Historie ze Star Treka i jemu podobnych filar贸w SF pozostaj膮, p贸ki co, w sferze fantazji. Jednak ju偶 samo przes艂anie stanu cz膮stki elementarnej na znaczn膮 odleg艂o艣膰 to imponuj膮ce osi膮gni臋cie. Aby jednak w pe艂ni poj膮膰 jego znaczenie powinni艣my zacz膮膰 od wyja艣nienia pewnych kwestii. Czym w艂a艣ciwie jest, a czym nie jest teleportacja kwantowa?

Albert Einstein: „upiorne oddzia艂ywanie na odleg艂o艣膰”

Teleportacja kwantowa to – w olbrzymim uproszczeniu – proces, podczas kt贸rego teoretycznie na dowoln膮 odleg艂o艣膰 przesy艂any jest stan cz膮stki elementarnej, a nie sama cz膮stka jako taka. Oznacza to tym samym, 偶e fizycznie 偶aden obiekt nie jest nigdzie przesy艂any, jedynie w miejscu odbioru, czy mo偶e raczej w miejscu docelowym teleportacji rejestrujemy niejako dok艂adn膮 kopi臋 cz膮stki „nadawanej”.

Teleportacja kwantowa jest 艣ci艣le zwi膮zana z tzw. spl膮taniem kwantowym, czy te偶 stanem spl膮tanym cz膮stek. W opisywanym tu chi艅skim eksperymencie badacze wykorzystywali spl膮tane fotony, a dok艂adniej tzw. singlety, czyli stany spl膮tane polaryzacji dw贸ch foton贸w. Singlet charakteryzuje si臋 pewn膮 w艂a艣ciwo艣ci膮: ot贸偶 pomiar polaryzacji obu foton贸w znajduj膮cych si臋 w stanie spl膮tanym, realizowany za pomoc膮 dw贸ch identycznie ustawionych, ale odleg艂ych od siebie polaryzator贸w wyka偶e zawsze dwie przeciwstawne polaryzacje.

Analogie, czyli uproszczenia

W bardzo du偶ym uproszczeniu w celu wyja艣nienia spl膮tania kwantowego mo偶na pos艂u偶y膰 si臋 tu analogi膮 z monetami zamkni臋tymi w dw贸ch identycznych pude艂kach. W przypadku stanu spl膮tanego, je偶eli w jednym pude艂ku znajduje si臋 moneta na kt贸rej wypad艂a reszka, to wiemy na pewno, 偶e w drugim pude艂ku na monecie b臋dzie orze艂ek. Tak samo ze spl膮tanymi fotonami, jeden z nich b臋dzie przeciwnie spolaryzowany w stosunku do drugiego. Czemu zatem Einstein okre艣li艂 to zjawisko jako „upiorne oddzia艂ywanie na odleg艂o艣膰”? G艂贸wnie dlatego, 偶e stan spl膮tania jest niezale偶ny od odleg艂o艣ci. Je偶eli jedna ze spl膮tanych cz膮stek znajduje si臋 na Ziemi, druga mo偶e si臋 znajdowa膰 na orbicie wok贸艂ziemskiej – tak jak w opisywanym, chi艅skim eksperymencie, ale r贸wnie dobrze mo偶e znajdowa膰 si臋 w galaktyce Andromedy.聽Wiele os贸b uwa偶a to za spos贸b przekazywania informacji z pr臋dko艣ci膮 szybsz膮 od 艣wiat艂a. Sk膮d taki wniosek i dlaczego – niestety – jest on mylny?

Kwantowa teleportacja a czasoprzestrze艅

Jakkolwiek absurdalnie to zabrzmi, przyjmuje si臋, 偶e stan spl膮tania dzia艂a natychmiastowo. Oznacza to, 偶e je偶eli stan jednej spl膮tanej cz膮stki jest okre艣lony to automatycznie okre艣lony jest te偶 stan drugiej spl膮tanej cz膮stki – niezale偶nie od tego, gdzie obie faktycznie si臋 znajduj膮. Co wi臋cej, poniewa偶 otaczaj膮ca nas przestrze艅 jest tak naprawd臋 czasoprzestrzeni膮, nie ma r贸wnie偶 znaczenia czas w jakim rezyduj膮 cz膮stki spl膮tane. Ju偶 w 2013 roku na 艂amach serwisu Wired opublikowano artyku艂, w kt贸rym przedstawiono udane spl膮tanie foton贸w, kt贸re nie istnia艂y w tym samym czasie (sic!).聽Je偶eli wymyka si臋 to waszej percepcji i pr贸bom wyobra偶enia sobie spl膮tania kwantowego, to wiedzcie, 偶e nie jeste艣cie w tym osamotnieni.

Spl膮tanie nie przeka偶e informacji, ale jest niezwykle istotne

W ka偶dym razie sam stan spl膮tania nie umo偶liwia „przes艂ania” informacji szybciej od 艣wiat艂a. Dlaczego? M贸wi膮c obrazowo, je偶eli wiecie, 偶e w Waszym pude艂ku moneta wskazuje orze艂ka, to wiecie 偶e u odbiorcy jest reszka. Nie mamy 偶adnego wp艂ywu na to, jaki stan moneta ma u nas – co umo偶liwia艂oby kodowanie informacji. W efekcie mimo teoretycznie dowolnej odleg艂o艣ci pomi臋dzy spl膮tanymi cz膮stkami „monetami” nie dowiadujemy si臋 niczego nowego. Tak samo w przypadku foton贸w. Je偶eli u nas jest dana polaryzacja, to spl膮tana cz膮stka b臋dzie mia艂a przeciwn膮 polaryzacj臋. Nie mamy jednak wp艂ywu na to jak膮 polaryzacj臋 b臋dziemy mieli u nas. Jednak chocia偶 stan spl膮tania nie umo偶liwia nad艣wietlnego przesy艂ania informacji, to zapewnia co艣 bardzo istotnego – integralno艣膰 przes艂anej informacji i ca艂kowicie uniemo偶liwia pods艂uch kwantowego przekazu.

Dzi臋ki stanowi spl膮tanemu wiemy, 偶e spl膮tane cz膮stki s膮 niejako identyczne, cho膰 ze wzgl臋du na zasad臋 nieoznaczono艣ci Heisenberga nie jeste艣my w stanie dok艂adnie zmierzy膰 wszystkich cech cho膰by jednej z nich. Zasada nieoznaczono艣ci wyklucza dok艂adny pomiar. Mo偶emy ustali膰 po艂o偶enie cz膮stki, ale im dok艂adniej to robimy, tym mniej znany jest jej p臋d. Z kolei im dok艂adniej zmierzymy p臋d, tym mniej znamy jej po艂o偶enie. Jednak w艂a艣nie dzi臋ki stanowi spl膮tanemu mamy gwarancj臋, 偶e teleportowana kwantowo cz膮stka (czy uk艂ad cz膮stek) jest w obu lokalizacjach teleportacji: 藕r贸d艂owej i docelowej – identyczna. To ma kluczowe znaczenie dla protoko艂贸w szyfrowania i komunikacji wykorzystuj膮cych kwantow膮 艂膮czno艣膰. Innymi s艂owy, dzi臋ki spl膮taniu stan ca艂ego uk艂adu cz膮stek jest lepiej okre艣lony ni偶 stan poszczeg贸lnych cz膮stek. Jest to cecha niemo偶liwa w fizyce klasycznej, jak si臋 jednak okazuje, w fizyce kwantowej niemo偶liwe jest mo偶liwe, a wr臋cz powszechne.

Kwantowa teleportacja oznacza kwantowy internet?

Cho膰 wiadomo, 偶e nie mo偶na precyzyjnie zmierzy膰 dok艂adnego stanu cz膮stki, to teleportacja kwantowa umo偶liwia wierne przekazywanie stan贸w kwantowych na du偶e odleg艂o艣ci, bez fizycznego przemieszczania samego teleportowanego obiektu. Dotychczasowe eksperymenty zwi膮zane ze zjawiskiem teleportacji kwantowej udowadnia艂y, 偶e mo偶liwe jest przeniesienie stanu cz膮stki na odleg艂o艣ci rz臋du 100 km. Na wi臋kszych dystansach eksperymenty zawodzi艂y z powodu m.in. utraty foton贸w w 艣wiat艂owodzie czy innych zak艂贸ce艅 wp艂ywaj膮cych na teleportacj臋 kwantow膮. Dlatego wyzwaniem dla kwantowej 艂膮czno艣ci, czy – id膮c dalej – kwantowego internetu – jest przede wszystkim znaczne rozszerzenie zasi臋gu teleportacji kwantowej. Dlaczego zdecydowano si臋 na teleportacj臋 pomi臋dzy Ziemi膮 a obiektem umieszczonym na orbicie? W艂a艣nie ze wzgl臋du na fakt, 偶e 艣cie偶ka propagacji foton贸w przebiega w takim przypadku przez prawie pust膮 przestrze艅. To g艂贸wnie dlatego uda艂o si臋 teleportowa膰 stan fotonu na odleg艂o艣膰 si臋gaj膮c膮 1400 km.

Od teleportacji stanu cz膮stki do w pe艂ni dzia艂aj膮cej komunikacji kwantowej jeszcze daleka droga. Naukowcy musz膮 zoptymalizowa膰 skuteczno艣膰 i niezawodno艣膰 艂膮cza, zneutralizowa膰 wp艂yw atmosfery ziemskiej w zwrotnym po艂膮czeniu i rozwi膮za膰 wiele innych problem贸w. Niemniej pierwsze kwantowe po艂膮czenie ziemia – satelita zosta艂o zrealizowane, a to wielki krok ludzko艣ci na drodze do szybkiej, bezpiecznej kwantowej 艂膮czno艣ci na du偶e odleg艂o艣ci. Niestety – nie z dowoln膮 pr臋dko艣ci膮.

Prywatna komunikacja zamiast ansibli

Mi艂o艣nicy prozy Orsona Scotta Carda, czy Ursuli Le Guin z pewno艣ci膮 kojarz膮 fikcyjne urz膮dzenie umo偶liwiaj膮ce natychmiastow膮 komunikacj臋 z pr臋dko艣ci膮 znacznie przekraczaj膮c膮 pr臋dko艣膰 艣wiat艂a. By膰 mo偶e b臋dziecie rozczarowani, gdy powiemy Wam, 偶e teleportacja kwantowa nie umo偶liwi budowy takich urz膮dze艅. Niestety, ale przekazywanie informacji szybciej od 艣wiat艂a wci膮偶 jest niemo偶liwe. Jednak prace austriackich i chi艅skich naukowc贸w, a tak偶e zadania realizowane przez wielu innych badaczy z ca艂ego 艣wiata zajmuj膮cych si臋 teleportacj膮 kwantow膮 umo偶liwi膮 powstanie czego艣 innego – superbezpiecznej kwantowej komunikacji, w kt贸rej pods艂uchanie jakiegokolwiek przekazu przez osob臋 nie b臋d膮c膮 nadawc膮 b膮d藕 adresatem teleportowanej informacji b臋dzie fizycznie niemo偶liwe.

Wszystkim, kt贸rzy chcieliby jeszcze bardziej pog艂臋bi膰 wiedz臋 dotycz膮c膮 opisywanego wydarzenia polecamy lektur臋 藕r贸de艂, z kt贸rych korzystano podczas opracowywania niniejszego materia艂u:

| CHIP