Przepis na teleportację

W książkach, filmach, serialach oraz grach science fiction lub fantasy często spotykamy się z teleportacją. Czym ona właściwie jest? Czy jest to tylko wymysł pisarzy? Czy zostanie tylko w fikcyjnym świecie?


Przepis na teleportację

Aby rozmawiać o teleportacji kantowej potrzebować będziemy lekkiego przygotowania. Wprowadzę teraz dwa pojęcia, które będą nam potrzebne do zrozumienia jej działania.

Bardzo ważnym zjawiskiem, niezbędnym do teleportacji jest superpozycja kwantowa. Na czym ona właściwie polega?

Jest ona fundamentalną zasadą mechaniki kwantowej. Wedle tej zasady nieobserwowane cząsteczki znajdują się w każdym możliwym stanie kwantowym. Ten fenomen potwierdza eksperyment podwójnej szczeliny (ang. double-slit experiment) przeprowadzony przez Thomas'a Young'a w 1801 roku z użyciem światła. W 1927 roku Lester Germer i Clinton Davisson przedstawili ten sam eksperyment przy użyciu elektronu. Zachował się on dokładnie tak samo jak światło podczas eksperymentu przeprowadzonego ponad 100 lat wcześniej.

Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment

Następnym niezbędnym zjawiskiem, które umożliwi nam teleportację jest splątanie kwantowe. Jest to specyficzne zjawisko w którym stany kwantowe dwóch lub większej liczby cząsteczek są od siebie zależne. Zasady mechaniki kwantowej mówią, że wielkości kwantowe przed pomiarem nie mają żadnej ustalonej wartości. Możemy snuć tylko domysły jakie wartości przypiszemy cząsteczce, na przykład czy spin będzie w górę czy w dół. Wszystko się rozjaśni, gdy zmierzymy daną wartość cząsteczki. Będzie wtedy ona stałą tej cząsteczki do czasu, aż jej nie ruszymy. Tę właściwość cząsteczek możemy wykorzystać przy teleportacji.

Ze splątaniem kwantowym wiąże się jeden, moim zdaniem, bardzo ciekawy paradoks, który przedstawiono w formie eksperymentu myślowego. Mowa o paradoksie EPR, którego nazwa pochodzi od nazwisk twórców: Alberta Einsteina, Borysa Podolskiego oraz Nathana Rosena. Należy wyobrazić sobie dwie splątane cząsteczki w bardzo odległych od siebie miejscach. Po zmierzeniu jakiejś wartości, wartość drugiej cząsteczki staje się natychmiast przeciwna. Tutaj dobrym przykładem będzie spin, o którym wspomniałem wcześniej. Załóżmy, że jedna cząsteczka jest położona przy Słońcu, a druga przy UY Scuti (około 5 219 lat świetlnych od Słońca). Kiedy zmierzymy spin jednej cząsteczki automatycznie, spin drugiej cząsteczki przyjmuje wartość przeciwną, mimo dzielącej ich odległości stanie się to natychmiast. Czy mamy więc do czynienia z przenoszeniem informacji z prędkością większą niż prędkość światła? Niektórzy naukowcy twierdzą, że nie jest to do końca przesył informacji, więc taka sytuacja może się wydarzyć i nie jest ona paradoksem.


Jak teleportować różne rzeczy?

Poznaliśmy już dwa bardzo ważne i potrzebne pojęcia. Przejdźmy więc do całej "magii" teleportacji. Załóżmy, że chcemy przenieść elektron z Ziemi na Marsa. Na początku musimy splątać ze sobą 2 elektrony, jeden na Ziemi, drugi na Marsie. Wszystkie trzy cząsteczki muszą być w stanie superpozycji spinów. Jak wyżej wspomniałem, elektron lub inna cząsteczka może mieć z pewnym prawdopodobieństwem (A) spin w górę lub z innym (B) w dół. Oznaczymy to w następujący sposób: t (teleportowany), z (ziemski), m (marsjański), żeby trudniej było się pogubić przy działaniach:

t: A|t↑>+B|t↓>

Będzie to nasz elektron który chcemy przeteleportować na Marsa.

Pozostałe dwa splątane elektrony będą w superpozycji:
a) elektron na Ziemi będzie miał spin w górę, a ten Marsie spin w dół,
b) elektron na Ziemi będzie miał spin w dół, a ten Marsie spin w górę.

Oznaczmy to w następujący sposób:

zm: |z↓>|m↑>+|z↑>|m↓>

Całe to splątanie zapiszemy w następujący sposób:

(A|t↑>+B|t↓>)*(|z↓>|m↑>+|z↑>|m↓>)

Teraz wystarczy dyskretnie spojrzeć na splątanie między elektronami na Ziemi. Gdybyśmy bezpośrednio spojrzeli na elektrony na Ziemi załamalibyśmy stan superpozycji. Rezultatem tego będzie brak teleportacji. W takim razie jak możemy to zrobić? Używając pomiaru Bell'a, możemy załamać tylko częściowo superpozycję sprawdzając:

a) Czy oba spiny są takie same?


|t↑>|z↑>+|t↓>|z↓>


b) Czy tylko jeden spin jest w dół?


|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>


c) Czy przynajmniej jeden spin jest w dół?


|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>+|t↓>|z↓>


d) Czy teleportowany elektron nie posiada jako jedyny spinu w dół?


|t↑>|z↑>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↓>


Te cztery pytania pomogą nam z pełną precyzją zdefiniować jak wygląda sytuacja w tym splątaniu.

Jeżeli spin teleportowanego elektronu jest skierowany w górę, a ziemskiego elektronu w górę, możemy to zapisać jako:
teleportowany elektron nie posiada jako jedyny spinu w dół odjąć oba elektrony mają taki sam spin:

|t↑>|z↓>=|t↑>|z↑>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↓>-|t↑>|z↑>+|t↓>|z↓>

Jeżeli spin teleportowanego elektronu jest skierowany w dół, a ziemskiego elektronu jest skierowany w górę, możemy to zapisać jako:
oba elektrony, które mają taki sam spin dodać tylko jeden spin jest w dół odjąć tylko teleportowany elektron nie posiada jako jedyny spinu w dół:

|t↓>|z↑>=|t↑>|z↑>+|t↓>|z↓>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>-|t↑>|z↑>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↓>

Jeżeli spin teleportowanego oraz ziemskiego elektronu jest skierowany w górę, możemy to zapisać jako:
oba spiny są takie same dodać tylko jeden spin jest w dół odjąć przynajmniej jeden spin jest w dół:

|t↑>|z↑>=|t↑>|z↑>+|t↓>|z↓>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>-|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>+|t↓>|z↓>

Jeżeli spin teleportowanego oraz ziemskiego elektronu jest skierowany w dół, możemy to zapisać jako:
przynajmniej jeden spin jest skierowany w dół odjąć tylko jeden spin jest skierowany w dół:

|t↓>|z↓>=|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>+|t↓>|z↓>-|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>

Wszystko co zrobiliśmy potrzebne było, by splątać teleportowany elektron z elektronem znajdującym się na Ziemi, po tym zachodzi cała teleportacja.

Żeby to zobaczyć przeprowadźmy działania, które później przedstawimy w postaci wyżej wymienionych pytań:

(A|t↑>+B|t↓>)*(|z↓>|m↑>+|z↑>|m↓>)

pozbądźmy się nawiasów


A|t↑>|z↓>|m↑>

+A|t↑>|z↑>|m↓>

+B|t↓>|z↓>|m↑>

+B|t↓>|z↑>|m↓>


Teraz zapiszmy stan splątania elektronu ziemskiego i teleportowanego za pomocą naszych pytań.


A(|t↑>|z↑>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↓>-|t↑>|z↑>+|t↓>|z↓>)|m↑>

+A(|t↑>|z↑>+|t↓>|z↓>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>-|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>+|t↓>|z↓>)|m↓>

+B(|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>+|t↓>|z↓>-|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>)|m↑>

+B(|t↑>|z↑>+|t↓>|z↓>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>-|t↑>|z↑>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↓>)|m↓>


Jeśli wszystko pogrupujemy i posortujemy otrzymamy następujące rezultaty:


|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>+|t↓>|z↓>(B|m↑>-A|m↓>)

|t↑>|z↓>+|t↓>|z↑>(-B|m↑>+(A+B)|m↓>)

|t↑>|z↑>+|t↓>|z↓>(-A|m↑>+(A+B)|m↓>)

|t↑>|z↑>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↓>(A|m↑>-B|m↓>)


Jak widać wprowadziliśmy marsjański elektron w jedną z kilku możliwych superpozycji, która wygląda podobnie do superpozycji elektronu, który chcieliśmy przeteleportować.

Została nam już tylko jedna rzecz do przeprowadzenia teleportacji. Otóż musimy załamać superpozycje elektronów znajdujących się na Ziemi. Widzimy wtedy jakie sekretne pytanie było prawdziwe, np. po kolapsie superpozycji możemy zauważyć, że teleportowany elektron nie posiada jako jedyny spinu w dół (|t↑>|z↑>+|t↑>|z↓>+|t↓>|z↓>), wiemy wtedy, że elektron na Marsie znajduje się w superpozycji A|m↑>-B|m↓>, która wygląda prawie identycznie jak ta, w której znajdował się nasz teleportowany elektron. Wystarczy, że ktoś będący na Marsie zamieni -B na +B, przy pomocy przekształcenia unitarnego. Działa to przy każdej innej wyżej wymienionej superpozycji. Po tym wszystkim udało nam się w końcu przenieść stan elektronu w inne miejsce. Gdybyśmy przenieśli stan człowieka, samochodu albo innej rzeczy, rozpadłaby się ona w miejscu startu i ułożyła w miejscu docelowym.


Teleportacja rodzi wiele problemów, szczególnie moralnych. Główną kwestią w sprawie teleportacji jest jej moralność, gdyż teleportując osobę unicestwiamy ją i tworzymy kopię w innym miejscu. Jeśli świadomość ma ścisły związek ze stanem kwantowym paru elektronów lub innych cząsteczek, wedle twierdzenia "Zakaz klonowania" (No-cloning theorem), wszystkie informacje, które zostały w punkcie startu zostaną zniszczone. Czy zlikwidowanie pierwszego siebie nie będzie morderstwem? Czy tą drugą osobą będę ja? Czy tylko zbitek atomów ułożony w taki sam sposób, który myśli, że to ja? Co jeśli zostawimy swoją pierwszą wersję, której "ja" to będzie prawdziwe "ja"?

Kolejny problemem, dotyczącym już bardziej kwestii fizycznej, wiąże się z przestrzenią dookoła miejsca, w którym się zmaterializowaliśmy, gdyż powstanie próżnia, ponieważ cząsteczki znajdujące się w tym miejscu zostaną przerobione na nas. Powietrze, które będzie chciało "załatać" tę pustą przestrzeń będzie mogło nas poważnie skrzywdzić.


Nauka bez tajemnic. Polub i obserwuj nas na Facebooku. Jesteśmy także na Twitterze. Zapraszamy na naszą grupę dyskusyjną.

WSPIERAJ NIEZALEŻNE DZIENNIKARSTWO