Ülikiirelt saab edasi kanda vaid kvantinformatsiooni

8. Jun 2016

 

See teaduskirjanik Tiit Kändleri essee ilmus Maalehes 2. juunil 2016.

 

Kvantteleportatsioon on võlusõna, millega loodetakse tähistada asjade ja isegi inimese silmapilkset reisimist ruumis. Siiski pole ka veidravõitu kvantmehaanika nõnda võimas, et seda unistust teoks teha.

 

Kui filmistsenarist hätta jääb, võtab ta kasutusele teleportatsiooni. Selle nipi abil on võimalik tegelaskuju ühe hetkega teise paika liigutada. Ja kes meist ei tahaks sedasama võtet kasutada, ainult et siis tekib oht nagu virtuaalses maailmas, et jäädki erinevate paikade vahel plõksuma, süveneda ei jaksa ühessegi.

Inglise keeles on „portable“ on kantav. Tele- on eesliitema kaug-. Sõna „teleportation“ väärikates sõnastikes pole. Aga ilmus ju „television“ kaugnägemise tähistamisena vähem kui saja aasta eest. Sellepärast on korrektsem kõnelda kvantteleportatsioonist, mida on eesti keelel raske välja ütelda. Veel vähem meelel selle üle mõtelda.

Footonite esimene kvantteleportatsioon 1997. aastal.

Teleport.Graf.ML

Anton Zeilingeri juhtimisel toimunud esimese kvantteleportatsiooni eksperimendi skeem.  Teadlased tekitasid kaks põimunud footonit, saates footoni ultraviolettlaserist erilisse kristalli (kuubike keskel), mis tekitas kaks infrapunast footonit, millel kummalgi oli pool algse footoni energiast. Nad saatsid laserikiire läbi kristalli kaks korda, et saada kokku neli footonit.

Üks paar oli põimunud paar (footonid 2 ja 3), mida kasutati teleportatsiooniks, teisest paarist üks (footon 1) aga saadeti läbi polarisaatori (mis mõõtis footoni olekut), et veenduda teleportatsiooni olemasolus. Neljas footon oli vajalik, et anda eksperimentaatoritele teada, millal andmeid koguda.

Footonid 1 ja 2 viidi kokku valgusejaoturis, nii nagu need kokku põimiti. Katset mitu korda korrates oldi kindlad, et footon 3 oli polariseerutud täpselt nurga all, mida ennustas teleportatsiooni teooria.

Allikas: Chad Orzel

Eelmisel teadusküljel kirjutasin alustuseks kvantpõimumisest. Sellest veidrast kaugmõjust, milleks Einstein seda kvantnähtust pidas ja arvas, et tegu on pigem matemaatilise trikiga, kui looduses aset leidva nähtusega. Kvantpõimumine on teleportatsiooiga seotud, ainult et kuna viimasega kantakse edasi ka informatsiooni, ei toimu see hetkeliselt, vaid valguse kiirusega.

Kvantpõimumine on selgelt tõestatud: kui kaks algosakest kiiratakse üheskoos eri suundades, siis mäletavad nad teineteise olekuid, kui kaugele nad teineteisest ka lendaks. Suurim võimalikest kiirustest vaakumis on valguse kiirus, mis on suur, ent lõplik. Sellepärast kvantpõimumisega informatsiooni edasi kanda ei saa.

 

Hetkelise ülekandumise suhtelisus

Kvantteleportatsioonist rääkimine on minu meelest pigem maitseasi. Me võime klassikaliseks näiteks tuua faksimasina. Või miks mitte dokumendi  skännimise, saatmise mailiga ja siis uuesti trükkimise. Saadate oma dokumendi välja ja teine faks või arvuti võtab selle vastu. Kuid pidage silmas, et teile jääb originaal alles! Kui me kõige ägedamate fantastide eeskujul kujutleme inimese kvantteleportatsiooni, siis peame esmalt mõõtma inimese kõigi aatomite seisundid ja need siis põimituna vastavate aatomitega sihteesmärki saatma. Mida aga teha originaaliga? Kas see hävitada? Olete sellega nõus?

Toon siin näite astronoomia ajaloost. Kuigi oli ka teisi mõtlejaid, sai Ptolemaiose 2. Sajandist pärit süsteem Maaga liikumatus keskmes ja selle ümber tiirutavate Päikese ja planeetidega niivõrd mõtlemisele omaseks, et katseandmetega sobitumiseks lisati vaid planeetide orbiitidele epitsükleid, mis liikusid mööda epitsükleid jne, ja isegi nihutati veidi tiirlemise keset Maa raskuskeskmest eemale.

Ja polnud häda midagi, ainult et planeetide üksteise suhtelisi kaugusi oli täpsemalt üha raskem välja arvutada, ja ka taevasfäär, millel tähed arvati paiknevat, muudkui tundus eemalduvat. Nikolai Kopernik, kasutades on positsiooni Varmia piiskopkonnas maksukoguja  ja asehaldurina ning saanud hästi läbi paavstiga, tuli 16. Sajandi alul selle peale, et lihtsam on taevakehade liikumist kirjeldada, kui võtta asja nii, et Päike on keskmes ja planeedid ümber selle tiirlevad, ja sedagi veidi ringjoontest erinevatel elliptilistel orbiitidel. Kuuldus tema teooriast levis, ometi ei söandanud ka ise taevakehi mõõtnud Kopernik oma raamatut avaldada varem kui oma surma-aastal. Gioardano Bruno, filosoof, laiendas päikesesüsteemid kõigile tähtedele, ja põletati elusalt, Galileol, kellele alul Vatikan suisa soovitas Koperniku ideed tutvustada, läks kah haprasti. Paavstkond magas lihtsalt Koperniku töö maha! Ehkki oli ju maitseasi. Mida võtta universumi keskmeks. Võibolla peame kvantpõimumisse ja -teleportatsiooni suhtuma samuti.  Et küll kord koidab aega, mil kõik ajud kahel otsal lausa löövad lõkendama ja neid mõistma saavad?

See on nii, nagu kirjeldas austria kirjanik Stefan Zweig 19. sajandi lõppu ja 20. algust: kui elu oli kindel ja kulges ettenähtud radu. Eriti Viinis. Ja siis tuli kaks sõda ning ühtlasi kvantmehaanika, mis keerasid kõik pahupidi. Inimene pidi hakkama mõistma, et on asju, mida ta ette kujutada ei suudagi. Aga ta ei ole kaotanud lootust: äkki ikkagi suudab?

Umbes samal ajal kirjutas austria kirjanik Robet Musil oma „Omadusteta mehes“: Tõde on see, et teadus on välja arendanud karmi, kaine vaimse jõu mõiste, mis teeb inimsoo vanad metafüüsilised ja moraaliettekujutused lihtsalt talumatuks, ehkki ta suudab nende asemele panna ainult lootuse, et saabub kauge päev, mil vaimsete vallutajate rass laskub alla hingelise viljakuse orgudesse.“ Kuid lisas: „Halbadel aegadel  tehakse kõige koletuslikumad majad ja luuletused täpselt niisama ilusate põhimõtete järgi nagu parimatelgi aegadel.“ Nõnda tundub olevat ka kvantmehaanikaga.

 

Tagasipöördumist pole

Inglise tuntumaid füüsikuid Roger Penrose arutles oma 1989. aastal ilmunud ja kuulsaks saanud raamatus „The Emperor’s New Mind“  („Keisri uus aju“) nõnda: oletagem, et teleportatsiooni masin ehitatakse. Inimene skaneeritakse peast jalgadeni ja muudetakse kokkupaneku instruktsioonike. Saadetakse see info mõnele teisele planeedile ja pannakse seal olevatest aatomitest kokku. Oletagem, et sel olendil tekib teadvus. Mis saab siis, kui Maal elavat originaali ei hävitata? Kumb olend te siis olete? Kas on see füüsikaseaduste kohaselt võimalik? Ta arvab, et tegemist on kvantmehaanika sisulise rolliga mentaalsete nähtuste mõistmisel. Küsimus on kunstliku intelligentsi loomise võimalikkuses.  Pole võimalik kopeerida kvantolekut, jättes originaalse oleku puutumatuks. Ainus võimalus: poolitada aju. Penrose arvab nimelt, et oluline teave inimesest esineb mõlemas ajupoolkeras. Kas oleksite nõus ronima sellisesse teleportatsiooni masinasse?

Ameerika füüsik Chad Orzel, püüdes oma koerale kvantmehaanikat õpetada 2010. aastal ilmunud raamatus „How to Teach Quantum Physics to Your Dog“ („Kuidas õpetada kvantmehaanikat oma koerale“), võtab asja lihtsamalt: kõik siiani õnnestunud kvantteleportatsiooni katsed on tehtud üksikute osakestega, tavaliselt footonitega. Koer aga on tehtud eleportatsioon ei kanna üle asja või olendit, vaid tekitab teise kohta samas kvantolekus aatomi. Nõnda et meil on lõpuks kaks samas olekus aatomit – üks siin, teine seal. Kui meil ka oleks vaja saada aeda täpselt samasugune koer, peaks meil seal ess ootama samasuguse koera täis aatomeid, mis siis reeglite kohaselt kokku pannakse.  Kuna kvantmehaanika on mittelokaalne, siis ei saa me liigutada üksikuid asju, vaid kogu keha kvantolekut. Ning see toimuks valguse kiirusest aeglasemalt.

Kurb küll, aga 1982. aastal näidati, et teadmata kvantolekust ei saa teha täpset koopiat. Kui aga kvantolek ära mõõta, siis häirib see seda olekut.

Meil tuleb vaid võtta teadmiseks, et kvantteleportatsioon on võimalik vaid tänu kvantpõimumisele (millest oli jutt Maalehes nr 20, 19. mail) ning esimest korda pakuti selle käik välja firma IBM laboris 1993. aastal. Katse teostati 1997. Aastal Viini füüsiku Anton Zeilingeri juhtimisel. Täpsemalt palun vaadake graafikult.

Järgnevates katsetes teleporteeriti footonid üle Doonau jõe aastal 2004 (umbes 600 meetrit) ja seejärel õnnestus Kopenhaageni Niels Bohri instituudi teadlastel kasutada teleportatsiooni ühe rühma aatomite oleku saatmiseks teisele rühmale.

Selle loo moraal on, et kvantteleportatsioon on ińformatsiooni edasikandmine, mitte aga hetkeline reisimine, mille teleportatsiooni nime all võttis 1931. aastal kasutusele ameerika kirjanik Charles Fort. Edasikantud info põhjal võib muidugi originaali üles ehitada, ent see tähendab originaali sisulist hävimist ning inimese puhul aju toimimise mõistmist ehk kunstliku intelligentsi ehitamist. Seni uurivad kvantfüüsikud kvantteleportatsiooni, lootes seda kasutada seni veel üsna algeliste kvantarvutite täiustamiseks. Olgugi kvanteleportatsioon veel isegi teadlastele suuresti mõistetamatu, lohutagem end Robert Musili kombel: „Inimkonna ajaloos pole vabatahtlikku tagasipöördumist.“

 

 

Kommenteeri

Telli Teadus.ee uudiskiri