Varsinaista rajatiedettä! TELEPORTAATIO

Kvanttifysiikan näkökulmasta teleportaatio on totta – Mutta voidaanko myös ihmisiä teleportata paikasta toiseen?

Tieteiskirjallisuudessa ja elokuvissa esiintyy usein teleportaatio eli kaukosiirto. Sillä tarkoitetaan ihmisten tai esineiden siirtämistä paikasta A paikkaan B siten, että siirrettävä esine tai henkilö materialisoituu tyhjästä paikkaan B, samalla kun tämä häviää paikasta A. On myös kuviteltu, että paikkaan B luotaisiin vain täydellinen kopio siirrettävästä kappaleesta alkuperäisen kappaleen jäädessä paikkaan A. Onko kumpikaan tapa oikeasti mahdollista?

Jo vuonna 1993 tutkijat kehittivät kvanttifysiikan lakeihin perustuvan teoreettisen pohjan kvantti teleportaatiolle. Kvanttiteleportaatio on kvanttifysikaalinen ilmiö, jossa kvanttihiukkasen (esim. fotoni) tila voidaan teleportoida välittömästi toiseen, kaukaiseenkin paikkaan.

Kvanttimekaanisia hiukkasen tilan ominaisuuksia ovat esimerkiksi energia, polarisaatio ja hiukkasen sisäinen pyöriminen eli spin. Kyseessä on siis ”aavemainen etävaikutus”, ”Spukhafte Fernwirkung”, kuten Einstein asian ilmaisi. Teleportaatiossa ei liiku ainetta eikä energiaa, vaan ominaisuuksia ja informaatioita. Sitä voidaan hyödyntää kvanttitiedonsiirtossa ja -laskennassa.

Kvanttimekaniikassa lomittuminen tarkoittaa kahden tai useamman kvanttisysteemin (esim. hiukkasen) ominaisuutta, jossa lomittuneessa tilassa osasysteemeillä on ”ei- klassista” korrelaatiota eli riippuvuutta. Toisin sanoen, lomittuminen on ominaisuus, jossa kaksi kvanttihiukkasta jakavat saman olemassaolon, vaikka ne ovat fyysisesti erotettuja. Mittaamalla yhden osasysteemin ennalta tuntematon ominaisuus saadaan tietoa muiden osasysteemien vastaavasta ominaisuudesta. Jos aiheutamme yhdessä lomittuneessa hiukkasessa jonkin muutoksen, aiheutamme muutoksen kaikissa tämän hiukkasen kanssa lomittuneissa hiukkasissa. Tämä muutos tapahtuu välittömästi ja ilman, että hiukkasesta toiseen välitetään informaatiota.

Kvanttiteleportaatio perustuu lomittumiseen, jossa hiukkasten välinen kytkentä säilyy ja informaatiota voidaan hiukkasten avulla siirtää välittömästi kuinka kauas tahansa. Kytkentä (kvanttisidos) tarkoittaa kahden kvanttihiukkasen, kuten esim. elektronin tai protonin, välistä yhteyttä. Yhteyden avulla hiukkaset ovat toistensa kanssa aina samassa tilassa, vaikka ne olisivat eri puolilla maailmankaikkeutta. Toisen hiukkasen tilan mittaus antaa informaation myös toisen hiukkasen tilasta. Lomittunut hiukkanen jättää ympäristöönsä muistijäljen, joka puolestaan vaikuttaa sen tulevaan käytökseen. Näin hiukkaset voivat toimia myös kubitteina eli kvanttibitteinä, joiden avulla informaatiota voidaan lähettää ja lukea.

Ensimmäisen onnistuneen teleportaatiokokeen fotoneilla suoritti 1997 itävaltalainen Anton Zeilinger. Hän siirsi laserin avulla fotoneiden lomittunutta informaatiota 144 kilometrin matkan Kanarian saarilla. Kvanttikietoutuneet fotonit ammuttiin vastakkaisiin suuntiin ja hiukkasten polarisaatiota mitattiin. Hiukkasten välisen kytkennän todettiin säilyvän. Toinen hiukkanen tuntui ”ikään kuin tietävän”, mitä toiselle hiukkaselle tehtiin.

Nykyään on myös yksittäisten atomien teleportaatio mahdollista, seuraavan vuosikymmenen aikana ehkä myös molekyylien. Kvanttiteleportaation tärkeitä sovelluskohteita tulevaisuudessa ovat kvanttitietokoneet ja kvanttisalaus. Tutkijat uskovat kutenkin, että menee mahdollisesti vielä kymmeniä vuosia ennen kuin kvanttiteleportaatiota voidaan todella käyttää tärkeiden tietojen välittämiseen.

Tulevaisuudessa suunnitellaan vastaavia kokeita planeettaluotainten välillä.

Entä elävät olennot?

Kvanttimekaanisella tasolla voidaan siis teleportoida tiloja kahden paikan välillä hyödyntämällä lomittuneisuutta. Siirron kohteesta on oltava tietoa ja täydellisen kopion luomiseen tarvitaan täydellistä tietoa. Ei siis riitä, että tiedämme esim. siirrettävän kappaleen mitat, painon ja värin, vaan meidän tulee tietää jopa tämän jokaisen rakennehiukkasen tarkka tila. Makroskooppisilla kappaleilla (ihmiset, eläimet, esineet), on valtavan paljon mikroskooppisia vuorovaikuttavia hiukkasia, puhumattakaan ominaisuuksista, joiden luonnetta ei vielä tunneta (kuten tietoisuus). Täydellisen kopion luominen ja siirto ei näin ollen (ainakaan vielä) ole mahdollista.

Lähteet

Zeilinger: Fotonien tanssi, Einsteinista kvanttiteleportaatioon, Terra Cognita, Helsinki 2012

Rauhala: http://www.ursa.fi/yhd/komeetta/esitelma/FysiikanTodellisuus.htm

Ruusuvuori: http://luotiset.wordpress.com/2013/08/15/jos-ymmarrat-kvanttimekaniikkaa/

Wikipedia: http://fi.wikipedia.org/wiki/Kvanttiteleportaatio

http://fi.wikipedia.org/wiki/Lomittuminen

Tiede: http://www.tiede.fi/artikkeli/jutut/artikkelit/teleportaatio_vauhdittaa_ kvanttitietokonetta

Tieteen kuvalehti: http://tieku.fi/tekniikka/teleportaatio

Tiede: http://www.tiede.fi/artikkeli/jutut/artikkelit/teleportaatio_vauhdittaa_ kvanttitietokonetta

Tieteen kuvalehti: http://tieku.fi/tekniikka/teleportaatio

Digitoday: http://www.digitoday.fi/tiede-ja-teknologia/2014/06/03/datan-teleportaatioonnistui-kvanttikokeessa/20147792/66