Framtíðin felst í skömmtum

Samskiptakerfi manna munu byggjast á skammtaflutningum og tölvum í framtíðinni. Það er trú austurríska eðlisfræðingsins Antons Zeilinger sem hélt fjölsóttan fyrirlestur í Háskóla Íslands á fimmtudag. Þar ræddi hann lögmál skammtafræðinnar, meðal annars hvernig eindir geta verið samtengdar yfir langar vegalengdir.

Zeilinger er prófessor í eðlisfræði við Vínarháskóla og einn fremsti tilraunaeðlisfræðingur í heimi. Hann hefur verið nefndur sem líklegur Nóbelsverðlaunahafi fyrir tilraunir sínar á sviði skammtafræði. Fyrirlesturinn hélt hann á vegum verkfræði- og náttúruvísindasviðs Háskóla Íslands í tilefni af alþjóðlegu ári ljóssins.

Tilraun sem hann stóð fyrir árið 1997 var sú fyrsta til þess að eyða ástandi ljóseindar á einum stað og endurskapa það á öðrum og sýna þannig fram á að svonefndur skammtaflutningur (e. quantum teleportation) væri mögulegur. Árið 2012 framkvæmdi tilraunahópur hans slíkan flutning á milli Kanaríeyjanna La Palma og Tenerife sem um 144 kílómetrar skilja að.

Anton Zeilinger, prófessor í eðlisfræði við Vínarháskóla og forstöðumaður Skammtafræðistofnunar austurrísku vísindaakademíunnar. HÍ

Afleiðing sem Einstein vildi ekki fella sig við

Þó að viðfangsefnið væri háfræðilegt var yfirbragð fyrirlestursins létt. Austurríkismaðurinn er hrífandi fyrirlesari og fékk áheyrendur reglulega til að skella upp úr með hnyttnum tilsvörum og frásögum af stórmennum eðlisfræðinnar þegar þau glímdu við vandamál skammtafræðinnar.

Zeilinger stiklaði á stóru í sögu skammtafræðinnar og nefndi hvernig mikið af framförum í eðlisfræði hafi komið til með rannsóknum á ljósi. Þýski eðlisfræðingurinn Max Planck hafi, gegn eigin sannfæringu, þurft að gera ráð fyrir að ljós væri samsett úr eindum og væri ekki aðeins bylgja sem þá var hin viðtekna skýring á útgeislunarrófi heitra hluta.

Albert Einstein, faðir afstæðiskenninganna, hafi einnig sett fram kenningu um að ljós samanstæði af eindum og það hafi verið eina hugmyndin sem hann lagði til sem hann lýsti sjálfur sem byltingarkenndri. Það var fyrir hana sem hann fékk Nóbelsverðlaunin árið 1922, ekki afstæðiskenningarnar.

Heimur skammtafræðinnar er torskilinn leikmönnum. Í stuttu máli fjallar hún um hegðun örsmárra fyrirbæra eins og rafeinda og frumeinda sem ekki er hægt að skýra með lögmálum sígildrar eðlisfræði. Ein undirstaða hennar er að eindirnar séu í fjölda mismunandi ástanda á sama tíma og engin leið sé að spá fyrir um niðurstöðu athugana á þeim með vissu fyrirfram. Athugunin sjálf leiði til þess að eiginleikar þeirra séu ákvarðaðir.

„Draugaleg virkni úr fjarlægð“

Grein sem Einstein birti árið 1935 ásamt tveimur samstarfsmönnum sínum lýsti þeirri kenningu sem starf Zeilinger og félaga byggist nú á. Ein afleiðing skammtafræðinnar væri sú að fyrir tvær eindir sem samband var eitt sinn á milli en eru nú aðskildar geti komið upp sú staða að með því að athuga ástand annarrar þeirra breytist ástand hinnar samstundis, óháð ljóshraða og fjarlægðarinnar á milli þeirra. Það hefur verið nefnd samtenging (e. entanglement) einda.

Einstein kallaði þetta fyrirbrigði „draugalega virkni úr fjarlægð“ og var ekki ánægður með það. Hann vildi byggja nýjar kenningar sem gerðu ekki ráð fyrir þessari furðulegu afleiðingu skammtafræðinnar. Það tókst þó aldrei.

Greinin hafði ekki mikil áhrif fyrst eftir útgáfu hennar og fór lítið fyrir umræðum um þessar afleiðingar skammtafræðinnar vel fram yfir miðja síðustu öld. Þá hófu menn að vitna aftur til greinar Einstein og félaga í töluverðum mæli þegar mögulegt var að hrekja gagnrýni þeirra með tilraunum. Það var svo í kringum aldamót sem sprenging varð í fræðunum þegar menn gerðu sér grein fyrir mögulegu notagildi skammtatenginga og flutninga fyrir samskipti og tölvur. Þá framkvæmdi tilraunahópur Zeilinger tilraunir á skammtaflutningi sem notast við skammtafræðilega samtengdar eindir.

Verkefni sem taka mánuði leyst á svipstundu

Skammtafræðileg kerfi eru frábrugðin þeim raunveruleika sem við þekkjum úr hversdagslífinu því að þau geta verið í fjölda mögulegra ástanda samtímis. Þessi samlagning (e. superposition) ástanda sem er skammtafræðilegum kerfum eðlislæg er það sem menn sjá fyrir sér að geri þeim kleift að byggja tölvur í framtíðinni sem verði margfalt öflugri en þær sem til eru í dag.

Minniseiningar hefðbundinna tölva nefnast bitar. Þeir geta tekið gildið 0 eða 1. Í skammtatölvum hafa bitarnir, sem nefnast þá skammtabitar, bæði gildin samtímis. Með aðeins fimmtíu skammtabitum væri hægt að geyma 1.000 milljón milljón tölur sem tölvan gæti unnið með allar á sama tíma. Slík framför í reiknigetu tölva myndi þýða að flóknir útreikningar, sem tölvur nútímans þurfa allt frá klukkustundum og upp í vikur og mánuði að mjatla á, væri hægt að leysa á örskotsstundu með skammtatölvum.

Finna nýtt notagildi sem engan óraði fyrir

Meðal þeirra tilrauna sem Zeilinger og félagar framkvæmdu var að útbúa tvær samtengdar ljóseindir á tilraunastofu sinni á Kanaríeyjum. Annarri var haldið eftir og hún samtengd við þriðju ljóseindina. Þriðja ljóseindin inniheldur merki eða upplýsingar sem á að flytja. Hin var látin ferðast yfir á aðra eyju þar sem sjónauki nam hana. Mæling var framkvæmd á ástandi hinna tveggja ljóseindanna sem eftir voru og upplýsingar um niðurstöðu þeirrar mælingar voru jafnframt sendar yfir á hina eyjuna. Með þessum upplýsingum og samtengdu ljóseindinni var ástand þriðju ljóseindarinnar endurskapað, án þess að bein mæling á því ástandi hafi farið fram í sendistöðinni.  

Zeilinger sagði þó ómögulegt að nota það sem Einstein kallaði „draugalega virkni úr fjarlægð“ til þess að senda skilaboð hraðar en á ljóshraða. Ástæðan sé sú að engin leið sé til að ákveða ástand samtengdra einda sem eru hvor á sínum staðnum fyrirfram, það sé alltaf tilviljunum háð.

Kristján Leósson, eðlisfræðingur sem var einn áheyranda Zeilinger á fimmtudagskvöld, útskýrir að af þessum sökum þurfi alltaf að senda aðrar upplýsingar samhliða eftir hefðbundnum leiðum til að hægt sé að flytja fyrirfram ákveðnar upplýsingar milli staða með skammtaflutningi.

Zeilinger sagðist trúa persónulega að engin ástæða sé fyrir því að skammtatölvur og samskipti ættu ekki að verða nothæf tækni í framtíðinni þó að það verði mikil áskorun að þróa slík kerfi. Í framtíðinni muni samskiptakerfi manna jafnvel byggja alfarið á skammtakerfum. Stórstígar framfarir hafi þegar orðið í smækkun vinnslueininga í tölvum og haldi menn áfram á sömu braut muni þeir að lokum komast niður á skammtastigið. Auk þess muni menn finna ný not fyrir tæknina sem engan hafði órað fyrir áður eins og oft hafi gerst þegar nýjar uppfinningar hafa komið fram. 

Til að útskýra skammtatengdar eindir nefndi Zeilinger greinina Sokkar Bertlmann og eðli raunveruleikans. Í henni segir frá eðlisfræðingi sem gengur alltaf í mislitum sokkum. Þegar menn sjá hann koma fyrir horn og sjá að annar sokkurinn er bleikur viti þeir að hinn sé það ekki. Væru sokkarnir skammtaskokkar væri niðurstaðan sú sama. Lögmál skammtafræðinnar segi hins vegar að það sé rangt að álykta að sokkarnir hafi haft þá liti áður en athugandinn sá þá.

• Blogga um frétt