Minulý mesiac miliardár Yuri Milner a astrofyzik Stephen Hawking oznámili prielom Starshot: neuveriteľne ambiciózny plán poslať prvú kozmickú loď vyrobenú človekom na iný hviezdny systém v našej galaxii. Obrovské laserové pole by mohlo spustiť prístroj s veľkosťou mikročipov pre inú hviezdu pri 20% rýchlosti svetla. Nie je však jasné, ako by toto malé zariadenie mohlo s nami komunikovať cez obrovský medzihviezdny priestor. A čo kvantové zapletenie? Môže sa vzťahovať na takéto spojenie?
Táto myšlienka si určite zaslúži pozornosť.
Predstavte si dve mince, z ktorých každá môže prísť o hlavu alebo chvost. Máte jednu mincu, mám ďalšiu a my sme veľmi ďaleko od seba. Hodíme naše mince do vzduchu, chytíme ich a fackujeme na stôl. Predtým, ako sa pozrieme na kus, ktorý pristál, očakávame pravdepodobnosť 50/50, že príde ku chvostom a samozrejme tiež k hlavám. V obyčajnom neuzatvorenom vesmíre budú vaše výsledky a baňa navzájom nezávislé. Ak prídete za chvosty, moja minca má 50% šancu padať hlavy alebo chvosty. Ale za určitých podmienok môžu byť tieto výsledky mätúce: ak spustíte tento experiment a získate chvosty, budete vedieť, že moja minca má 100% šancu ukázať hlavy skôr, ako vám to poviem. Okamžite o tom budete vedieť, aj keď sme oddelení svetelnými rokmi a neuplynula ani jedna sekunda.
V kvantovej fyzike obyčajne neprepletíme mince, ale jednotlivé častice, ako sú elektróny a fotóny, kde napríklad každý fotón môže mať rotáciu +1 alebo -1. Ak zmeráte spin jedného fotónu, okamžite rozpoznáte spin druhého, aj keď je od nás vzdialený pol vesmíru. Pokiaľ nemeriate rotáciu jedného fotónu, oba existujú v neurčitom stave; ale akonáhle bol jeden zmeraný, okamžite o tom viete. Na Zemi sme vykonali taký experiment, ktorý oddelil dva zapletené fotóny o mnoho kilometrov a zmeral ich roztočenie v nanosekunde. Ukázalo sa, že ak zmeráme točenie jedného a ukáže sa, že je +1, zistíme, že točenie druhého -1 je 10 000-krát rýchlejšie, než nám umožnila rýchlosť svetla.
A tu je otázka: mohli by sme túto vlastnosť - kvantové zapletenie - použiť na komunikáciu so vzdialeným hviezdnym systémom? Odpoveď: Áno, ak považujeme meranie na vzdialenom mieste za formu komunikácie. Ale keď poviete pripojenie, zvyčajne chcete vedieť niečo o mieste, s ktorým sa pripájate. Môžete napríklad držať zapletenú časticu v neurčitom stave, poslať ju na palubu kozmickej lode k blízkej hviezde a povedať jej, aby hľadala známky skalných planét v zóne obývateľnej hviezdou. Keď jeden uvidí, vykoná meranie, ktoré vedie k tomu, že vaša častica bude v stave +1, a ak nie, potom meranie ukáže, že vaša častica je v stave -1.
Propagačné video:
Predpokladáte teda, že častica na Zemi by mala byť v stave -1, keď ju zmeráte, čo bude naznačovať, že kozmická loď našla planétu v obývateľnej zóne alebo v stave +1, čo znamená, že zariadenie má planétu nenájdené. Ak viete, že meranie bolo vykonané, môžete vykonať svoje vlastné meranie a okamžite vedieť o stave inej častice, aj keď je vzdialená mnoho svetelných rokov.
Vzorec vĺn pre elektróny prechádzajúce cez dvojitú štrbinu. Ak zmeráte, ktorou štrbinou prechádza elektrón, zničíte vzorec kvantovej interferencie.
Plán je v poriadku. Je tu však problém: zapletenie funguje iba vtedy, ak sa spýtate častice: v akom stave sa nachádzate? Ak umiestnite zamotanú časticu do určitého stavu, zlomíte zapletenie a meranie na Zemi bude úplne nezávislé od merania vzdialenej hviezdy. Ak ste jednoducho zmerali vzdialenú časticu (a zistili ste: +1 alebo -1), potom vaše meranie na Zemi bude tiež -1 alebo +1 (v tomto poradí) a dá vám informácie o častici umiestnenej vo svetelných rokoch od vás. Ak ponoríte časticu do stavu +1 alebo -1, potom bez ohľadu na výsledok bude mať vaša častica na Zemi 50% pravdepodobnosť +1 alebo -1 a nebude o nej hovoriť nič po mnoho svetelných rokov.
Toto je jedna z najviac nepochopených vecí v kvantovej fyzike: zapletenie sa môže použiť na získanie informácií o komponente systému, keď poznáte jeho úplný stav a zmeranie inej zložky (komponentov), ale nie na vytváranie a prenos informácií z jednej časti zapleteného systému do druhej. … Preto nie je žiadna príležitosť na rýchlejšiu komunikáciu ako svetlo.
Kvantové zapletenie je úžasná vlastnosť, ktorú môžeme použiť pre množstvo rôznych vecí, ako napríklad dokonalý šifrovací systém pre informácie. Ale komunikácia je rýchlejšia ako ľahká? Aby sme pochopili, prečo to nie je možné, musíme pochopiť kľúčovú vlastnosť kvantovej fyziky: že násilné ponorenie aspoň časti zamotaného systému do jedného stavu vám zabráni získať informácie o tomto ponorení meraním zvyšku systému. Ako Niels Bohr raz zdôraznil, „ak vás kvantová mechanika ešte hlboko nešokovala, ešte ste tomu nerozumeli.“
Vesmír s vami neustále hrá kocky, veľmi k Einsteinovej nemilosti. Aj naše najlepšie pokusy o podvádzanie v tejto hre vychádzajú z prírody.