Η κβαντική τηλεμεταφορά δεν είναι απλώς επιστημονική φαντασία. είναι εντελώς πραγματικό και συμβαίνει στα εργαστήρια σήμερα. Αλλά η τηλεμεταφορά κβαντικών σωματιδίων και πληροφοριών απέχει πολύ από το να μεταδοθούν άνθρωποι στο διάστημα. Κατά κάποιο τρόπο, είναι ακόμη πιο εκπληκτικό.

Τζον Πρεσκίλ, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, είναι ένας από τους κορυφαίους θεωρητικούς του κβαντικού υπολογισμού και της πληροφορίας. Σε αυτό το επεισόδιο, συμπαρουσιαστής Jana Levin του παίρνει συνέντευξη για τη διαπλοκή, την τηλεμεταφορά κομματιών από ακτή σε ακτή και την επαναστατική υπόσχεση της κβαντικής τεχνολογίας.

Ακούστε Apple Podcasts, Spotify, Podcasts Google, Συντονιστείτε ή την αγαπημένη σας εφαρμογή podcasting, ή μπορείτε μεταδώστε το από Quanta.

Αντίγραφο

JΑΝΝΑ ΛΕΒΙΝ: Όταν λέω τη λέξη τηλεμεταφορά, τι μου έρχεται στο μυαλό; Ίσως είναι ο μεταφορέας από Star Trek στιγμιαία ακτινοβολώντας το πλήρωμα σε έναν πλανήτη, ή το TARDIS που ταξιδεύει στο χρόνο Doctor Who. Στην επιστημονική φαντασία, η τηλεμεταφορά είναι μια βολική συσκευή για να μεταφέρεις ανθρώπους από το ένα μέρος στο άλλο χωρίς να χάνεται χρόνος στο ταξίδι.

Αλλά η κβαντική τηλεμεταφορά; Λοιπόν, αυτό είναι κάτι δραματικά διαφορετικό — και εντελώς πραγματικό.

Είμαι η Janna Levin και αυτό είναι το "The Joy of Why", ένα podcast από Quanta Magazine, όπου παίρνω εναλλάξ στο μικρόφωνο με τον συμπαρουσιαστή μου, Steve Strogatz, εξερευνώντας μερικά από τα μεγαλύτερα ερωτήματα στα μαθηματικά και τις επιστήμες σήμερα.

Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι η δύναμη να εξαφανιστείς από μια τοποθεσία και να εμφανιστείς σε μια άλλη, χωρίς να ταξιδεύεις ενδιάμεσα. Αν και μπορεί να μην ταιριάξουμε ποτέ με τις ταινίες, η τεχνολογία πιθανότατα θα φέρει επανάσταση στις επικοινωνίες, τους υπολογιστές και την κατανόησή μας για τον κόσμο γύρω μας.

Σήμερα, μας συνοδεύει ένας από τους κορυφαίους ειδικούς στην κβαντική τηλεμεταφορά. Τζον Πρεσκίλ είναι καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια και ιδρυτής και σημερινός επικεφαλής του Ινστιτούτου Κβαντικής Πληροφορίας και Ύλης. Η έρευνά του έχει εξερευνήσει τη σωματιδιακή φυσική, την κβαντική θεωρία πεδίου και τις κβαντικές πτυχές του πρώιμου σύμπαντος και των μαύρων τρυπών. Η τρέχουσα εργασία του εφαρμόζει αυτήν την έρευνα σε δυσεπίλυτα προβλήματα στον κβαντικό υπολογισμό και τις πληροφορίες. Γιάννη, καλωσόρισες στο "The Joy of Why".

ΤΖΟΝ ΠΡΕΣΚΙΛ: Χαίρομαι που είμαι εδώ, Janna.

ΛΕΒΙΝ: Χαρούμενος που σε έχω. Θέλω να μπω στις λεπτομέρειες αυτού του απίστευτα τεχνικού θέματος, αλλά μπορείτε να μας ξεκινήσετε με μια από τις βασικές έννοιες, που είναι η ιδέα της διαπλοκής, κβαντική εμπλοκή;

PRSKILL: Λοιπόν, η εμπλοκή είναι η λέξη που χρησιμοποιούμε για τις χαρακτηριστικές συσχετίσεις μεταξύ τμημάτων ενός κβαντικού συστήματος.

Καταρχάς, τι εννοούμε με τον όρο συσχέτιση; Μπορούμε να μιλήσουμε για συσχετίσεις για συνηθισμένα bits. Ας πούμε ότι έχετε ένα bit, το οποίο είναι είτε 0 είτε 1. Και εγώ έχω ένα bit, το οποίο είναι είτε 0 είτε 1. Τότε αν έχουμε και οι δύο 0 ή έχουμε και οι δύο 1, αυτός είναι ένας συσχετισμός μεταξύ των bit μας.

Στην περίπτωση των qubits, μπορούν να συσχετιστούν με παρόμοιο τρόπο. Όταν παρατηρούμε ή μετράμε το qubit — το κβαντικό ανάλογο λίγο — αποκτάμε λίγο. Αλλά αυτό που είναι διαφορετικό με την κβαντική περίπτωση είναι ότι υπάρχουν περισσότεροι από ένας τρόποι για να δούμε ένα qubit.

Έτσι μπορείτε να το σκεφτείτε σαν ένα κουτί που έχει λίγο μέσα. Μέσα υπάρχει είτε ένα 0 είτε ένα 1. Και έχω δύο τρόπους να κοιτάξω μέσα στο κουτί. Έχει δύο πόρτες. Μπορώ είτε να ανοίξω την πόρτα #1 είτε μπορώ να ανοίξω την πόρτα #2. Και από κάθε άποψη, βλέπω λίγο.

Και θα μπορούσαμε να έχουμε έναν συσχετισμό και για τους δύο τρόπους. Αν ανοίξουμε και οι δύο τη Θύρα #1, βλέπουμε κάποια συσχέτιση μεταξύ του bit που αποκτάτε και του bit που αποκτώ εγώ. Και αν ανοίξουμε και οι δύο τη Θύρα #2, βλέπουμε έναν συσχετισμό, ο οποίος γενικά θα μπορούσε να είναι διαφορετικός.

Και επειδή έχουμε αυτούς τους πολλαπλούς συμπληρωματικούς τρόπους εξέτασης ενός qubit, έχουν συσχετίσεις που είναι πιο ενδιαφέρουσες και πολύπλοκες από τις συσχετίσεις μεταξύ των συνηθισμένων bits.

Αλλά το μυστήριο είναι το εξής: Δεν μπορείτε να παρατηρήσετε ένα qubit χωρίς να το ενοχλήσετε. Αυτή είναι μια πολύ σημαντική διαφορά μεταξύ της συνηθισμένης πληροφορίας και της κβαντικής πληροφορίας.

ΛΕΒΙΝ: Ας πούμε λοιπόν ότι διαταράσσω το σωματίδιο μου και το αναγκάζω να πάρει μια ορισμένη κατάσταση. Μπορούμε να το ονομάσουμε μια διαδικασία μέτρησης, ή ίσως το κάνω τυχαία. Και ανακάλυψα ότι είναι 0. Και συσχετίστηκε με το σωματίδιο σου με τέτοιο τρόπο. Μήπως αυτό πραγματικά —όπως λένε οι άνθρωποι— επιβάλλει στο σωματίδιο σας μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός να λάβει μια συγκεκριμένη κατάσταση προκειμένου να σεβαστεί τη συσχέτιση;

PRSKILL: ΟΧΙ, δυστυχώς, δεν το κάνει. Α, μακάρι να γίνει. Αν κοιτάξω το qubit μου, δεν έχει σημασία αν έχεις κοιτάξει το δικό σου ή όχι. Θα δω απλώς ένα τυχαίο κομμάτι. Έτσι, μόνο αφού κοιτάξουμε και οι δύο και μιλήσουμε ο ένας στον άλλο μπορούμε να πούμε ότι είχαμε συσχετισμό.

Αλλά, εκτός και αν μιλήσουμε, ο καθένας από εμάς θα παρατηρήσει απλώς την καθαρή τυχαιότητα, αλλά με ίσες πιθανότητες να είναι 0 ή 1, και δεν υπάρχει τρόπος που να μπορεί να μεταφέρει οποιαδήποτε πληροφορία.

ΛΕΒΙΝ: Τώρα, φυσικά, αν συζητήσουμε μεταξύ μας, αυτό πρέπει να ταξιδέψει πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός, αυτό το μέρος της επικοινωνίας.

PRSKILL: Λοιπόν, μπορείτε να φτάσετε αρκετά κοντά στην ταχύτητα του φωτός, αλλά όχι πιο γρήγορα. Λοιπόν, αυτό είναι ένα μεγάλο θέμα, ότι πραγματικά δεν μπορούμε, ακόμα κι αν έχουμε διαπλοκή, να στείλουμε πληροφορίες από εμένα σε εσάς γρηγορότερα από το χρόνο που χρειάζεται το φως για να ταξιδέψει από εμένα σε εσάς. Η διαπλοκή δεν αλλάζει αυτή την ιστορία.

ΛΕΒΙΝ: Φοβερο. Τώρα, εδώ έχουμε συζητήσει τη διαπλοκή, η οποία χρονολογείται από πειράματα σκέψης [Albert Einstein προσπαθούσε να παλέψει με, και μερικές φορές εναντίον, της κβαντικής μηχανικής. Τώρα, γιατί ο Αϊνστάιν το ανέφερε περίφημα ως "τρομακτική δράση σε απόσταση"; Ή μερικές φορές η μετάφραση είναι «φάντασμα δράση σε απόσταση».

PRSKILL: Λοιπόν, ο Αϊνστάιν ένιωθε πολύ έντονα ότι δεν θα έπρεπε να υπάρχει τυχαιότητα στους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής. Ένιωθε ότι αν γνωρίζουμε όλα όσα μπορούμε να γνωρίζουμε - ότι οι νόμοι της φυσικής θα μας επιτρέψουν να γνωρίζουμε - για ένα φυσικό σύστημα, τότε θα πρέπει να είμαστε σε θέση να προβλέψουμε τέλεια τι θα δούμε όταν παρατηρήσουμε αυτό το σύστημα.

Και η διαπλοκή δεν υπακούει σε αυτήν την αρχή. Υπάρχει πραγματικά αληθινή τυχαιότητα στον κόσμο. Ακόμα κι αν γνωρίζουμε τα πάντα για αυτό το μπερδεμένο ζεύγος qubit που μοιραζόμαστε εσείς και εγώ, εξακολουθείτε να είστε ανίκανοι να προβλέψετε τι βλέπετε όταν κοιτάζετε αυτό το qubit. Είναι λίγο τυχαίο. Και δεν είναι επειδή δεν ξέρεις. Είναι ότι δεν μπορεί να γίνει γνωστό.

ΛΕΒΙΝ: Πώς γίνεται αυτό ένας σημαντικός μοχλός στην κβαντική τηλεμεταφορά; Αυτό από μόνο του δεν είναι κβαντική τηλεμεταφορά. Λοιπόν, πώς εκμεταλλεύεται;

PRSKILL: Είναι μια λεπτή ερώτηση. Ας μιλήσουμε λοιπόν τώρα για το τι είναι η κβαντική τηλεμεταφορά.

ΛΕΒΙΝ: Παρακαλώ, ναι.

PRSKILL: Λοιπόν, είσαι στη Νέα Υόρκη τώρα, σωστά;

ΛΕΒΙΝ: Είμαι στη Νέα Υόρκη, ναι.

PRSKILL: Εντάξει, Janna, είμαι αυτή τη στιγμή στην Καλιφόρνια, και εσύ στη Νέα Υόρκη, και τυχαίνει να έχω εδώ στην Καλιφόρνια ένα qubit. Είναι ακριβώς εδώ στο χέρι μου. Είναι κωδικοποιημένο σε ένα μικρό άτομο. Αλλά μια κβαντική FedEx κάνει λάθη μερικές φορές, έτσι μου έστειλαν αυτό το qubit, αλλά προοριζόταν για εσάς. ΕΝΤΑΞΕΙ? Λοιπόν, με κάποιο τρόπο πρέπει να καταλάβω πώς να σας παραδώσω το qubit μου. Και αν είχαμε κάποιο αγωγό που θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε για να στείλουμε το άτομο από την Καλιφόρνια στη Νέα Υόρκη, αυτός θα ήταν ένας τρόπος για να σας μεταφέρουμε το qubit. Αλλά δεν έχουμε καμία τέτοια σύνδεση που να μπορώ να χρησιμοποιήσω για να στείλω άτομα.

Αλλά δεν θέλετε το άτομο, θέλετε τις πληροφορίες που υπάρχουν στο άτομο. Λοιπόν, συμβαίνει ότι εσείς και εγώ είχαμε έξυπνα την προνοητικότητα να δημιουργήσουμε ένα ζευγάρι μπλεγμένα qubits χθες, προβλέποντας ότι μπορεί να μπορέσουμε να τα χρησιμοποιήσουμε κάποια στιγμή.

Και να τι μπορώ να κάνω. Μπορώ να πάρω αυτό το qubit που έλαβα σήμερα. Δεν ξέρω τι πληροφορίες περιέχει. Είναι κάποιο qubit που μου παραδόθηκε. Και μπορώ να το παρατηρήσω μαζί με το μισό μου ζεύγος qubits που μοιραζόμαστε εσύ κι εγώ.

Και τώρα, παρατηρώ δύο qubits, και το κάνω σε ένα — ας το ονομάσουμε μια μπερδεμένη μέτρηση. Εξετάζουμε τα δύο συλλογικά και μπορώ να πάρω δύο κομμάτια πληροφοριών από την παρατήρησή τους. Και τότε — τώρα, μέσω μιας συνηθισμένης σύνδεσης επικοινωνίας, όπως αυτό που χρησιμοποιούμε τώρα — μπορώ να σας στείλω αυτά τα δύο κομμάτια πληροφοριών. Και στη συνέχεια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτά τα δύο bit πληροφοριών για να εκτελέσετε μια λειτουργία στο qubit σας στη Νέα Υόρκη.

Και τώρα, αυτό το qubit στη Νέα Υόρκη έχει όλες τις ίδιες κβαντικές πληροφορίες με αυτό το μυστήριο qubit, το οποίο έλαβα σήμερα. Δεν ξέρω ποια είναι η κατάσταση αυτού του qubit, και στην πραγματικότητα, το καταστρέφω στο εργαστήριό μου όταν το παρατηρώ. Αλλά είμαστε σε θέση να το «μετενσαρκώσουμε», θα λέγαμε, στη Νέα Υόρκη. Και χρειάζεστε μόνο αυτά τα δύο bit πληροφοριών για να ανασυνθέσετε τέλεια αυτό το qubit. Αυτή είναι η κβαντική τηλεμεταφορά.

ΛΕΒΙΝ: Έτσι, κατά κάποιο τρόπο, είχατε μια κβαντική κατάσταση στην Καλιφόρνια που θέλατε να μπορώ να αναπαράγω στη Νέα Υόρκη χωρίς να την στείλω μέσω της FedEx, οδηγώντας σε όλη τη χώρα. Ήθελες να μπορώ να το κάνω χωρίς να κινήσω τίποτα ενδιάμεσα. Καταλάβατε λοιπόν αυτόν τον έξυπνο τρόπο για να ανακατασκευάσω την κατάσταση στο δικό μου εργαστήριο με αυτές τις απλές οδηγίες.

Και με αυτή την έννοια τηλεμεταφερόταν. Εξαφανίστηκε στο τέλος σας επειδή καταστρέψατε το κράτος και τη διαδικασία της προσπάθειας να βρείτε τις πληροφορίες που χρειαζόσασταν για να μου μεταφέρετε. Αλλά εμφανίστηκε ξανά στο εργαστήριό μου μόλις μεταφέρατε τις πληροφορίες. Έχασα κάτι σημαντικό σε αυτή την παράφραση;

PRSKILL: Λοιπόν, νομίζω ότι υπάρχουν μερικά πράγματα που πρέπει να ενισχυθούν σε αυτό που είπες. Καταρχάς, δεν συμφωνώ με τη δήλωση σου ότι δεν σου έστειλα τίποτα φυσικό. Στην πραγματικότητα, το έκανα. Σου έστειλα δύο πληροφορίες.

ΛΕΒΙΝ: Ω, μου στείλατε πληροφορίες μέσω του Διαδικτύου.

PRSKILL: Δεν μπορώ να το κάνω αυτό χωρίς να στείλω κάτι φυσικό.

ΛΕΒΙΝ: Σύμφωνος.

PRSKILL: Ίσως ήταν φωτόνια, τα οποία πέρασαν μέσα από μια οπτική ίνα από την Καλιφόρνια στη Νέα Υόρκη. Και αυτή η επικοινωνία μεταξύ μας ήταν πραγματικά απαραίτητη για να λειτουργήσει αυτό.

Αλλά δεν είναι αρκετό. Είναι αστείο με τα qubits. Αν θέλω να ετοιμάσω μια κατάσταση ενός qubit, χρειάζομαι πολλές πληροφορίες. Μπορείτε να απεικονίσετε γεωμετρικά ένα qubit σαν ένα μικρό βέλος που δείχνει σε έναν τρισδιάστατο χώρο. Ξέρετε, όπως η επιφάνεια της Γης. Και αν θέλω να σας πω πώς ετοίμασα το qubit, επιλέγω ένα σημείο σε αυτήν την υδρόγειο, οπότε πρέπει να σας δώσω το γεωγραφικό πλάτος και το γεωγραφικό μήκος σε πολύ υψηλή ακρίβεια για να σας πω ακριβώς πώς προετοιμάστηκε αυτό το qubit.

Έτσι, κατά μία έννοια, υπάρχουν πολλές πληροφορίες που μπαίνουν, αλλά ελάχιστες βγαίνουν, γιατί όταν τις παρατηρείς, παίρνεις μόνο ένα κομμάτι. Έτσι, αυτό το ένα bit δεν πρόκειται να σας πει πώς να τοποθετήσετε το qubit, ας πούμε έτσι, στην υδρόγειο σε κάποιο συγκεκριμένο γεωγραφικό πλάτος και μήκος. Γι' αυτό η τηλεμεταφορά είναι αξιοσημείωτη, γιατί σας έστειλα μόνο αυτά τα δύο bits, και αυτό ήταν αρκετό για να το ανασκευάσετε τέλεια.

Είναι τα δύο κομμάτια μαζί με το μπλέξιμο που μοιραστήκαμε, που είχαμε την προνοητικότητα να ετοιμάσουμε χθες.

ΛΕΒΙΝ: Σωστά, οπότε αυτή είναι μεγάλη διαφορά. Αυτό είναι καταπληκτικό, τώρα. Μου στέλνετε πληροφορίες φυσικά, είτε μέσω Διαδικτύου είτε φωτεινά σήματα ή όπως και να μου τις στέλνετε. Αλλά με κάποιο τρόπο, λαμβάνω περισσότερες πληροφορίες λόγω της μπερδεμένης ρύθμισης που συμφωνήσαμε.

Επομένως, δεν είναι σαν να είχατε το γραφείο σας στο ΙΚΕΑ, και χρειαζόμουν κάποιες πληροφορίες για το πώς να φτιάξω το δικό μου και εσείς το κάνατε κομμάτια για να καταλάβετε πώς συναρμολογήθηκε. Θα πρέπει ακόμα να μου πείτε κάθε μικρή πληροφορία. Άρα υπάρχει κάτι θεμελιωδώς διαφορετικό σχετικά με την κβαντική διαδικασία από την κλασική διαδικασία. Ποιο είναι το πλεονέκτημα από αυτό; Γιατί είναι τόσο συναρπαστικό; Ποια είναι η μεγάλη υπόθεση;

PRSKILL: Λοιπόν, πρώτα απ' όλα, Janna, εσύ και εγώ είμαστε θεωρητικοί φυσικοί, οπότε, ξέρεις, δεν χρειάζονται πολλά για να μας ενθουσιάσει.

ΛΕΒΙΝ: [γέλιο] Απολύτως.

PRSKILL: Σε τι χρησιμεύει όμως; Αυτή είναι μια καλή ερώτηση. Λοιπόν, ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να διανείμουμε τη διαπλοκή σε όλο τον κόσμο. Ακούγεται πολύ ωραίο σωστά; Θεωρήσαμε δεδομένο ότι εσείς και εγώ μπορούσαμε να μοιραστούμε τη διαπλοκή μεταξύ Καλιφόρνια και Νέας Υόρκης και δεν μιλήσαμε για το πώς τα καταφέραμε.

Στην πραγματικότητα, δεν ξέρουμε πώς να το κάνουμε αυτό τώρα με την τεχνολογία που υπάρχει αυτή τη στιγμή. Δεν υπάρχει κανένας λόγος για τον οποίο δεν μπορούμε κατ' αρχήν, αλλά για πρακτικούς λόγους, με την τεχνολογία που διαθέτουμε αυτή τη στιγμή, δεν μπορούμε να στείλουμε ένα qubit από την Καλιφόρνια στη Νέα Υόρκη και να φτάσει άθικτο.

Ο καλύτερος τρόπος που έχουμε να στείλουμε qubits είναι στέλνοντας φωτόνια μέσω οπτικής ίνας και η οπτική ίνα έχει απώλειες. Έτσι, αν προσπαθήσετε να στείλετε ένα qubit εκατό χιλιόμετρα, έχει μόνο μία πιθανότητα στα 50 να το κάνει χωρίς να εξαφανιστεί. Και αν προσπάθησα να το στείλω χίλια χιλιόμετρα, που ακόμα δεν είναι αρκετά για να φτάσω στη Νέα Υόρκη, υπάρχει σχεδόν μηδενική πιθανότητα να τα καταφέρει.

Λοιπόν, πώς μπορούμε να μοιραστούμε τη διαπλοκή; Λοιπόν, πιστεύουμε ότι θα το κάνουμε χρησιμοποιώντας τηλεμεταφορά. Ακούγεται λίγο κυκλικό, σωστά; Γιατί χρειαζόμαστε διαπλοκή για να κάνουμε τηλεμεταφορά. Αλλά εδώ είναι η ιδέα: Μπορώ να στείλω ένα qubit, ας πούμε, 10 χιλιόμετρα, ξέρετε, ή 50 χιλιόμετρα, με αρκετά μεγάλη πιθανότητα επιτυχίας.

ΛΕΒΙΝ: Αυτό είναι ακόμα πολύ καλό.

PRSKILL: Ναι, δεν είναι πολύ κακό. Αλλά τώρα ας υποθέσουμε ότι θέλω να φτάσω από την Καλιφόρνια στη Νέα Υόρκη, οπότε αυτό που κάνω είναι, εισάγω πολλούς μικρούς κόμβους στην πορεία, όπου πρόκειται να συνδέσουμε την κβαντική επικοινωνία. Ας φανταστούμε λοιπόν ότι προσπαθούμε να φτάσουμε από το Α στο Γ και αυτό που κάνουμε είναι ότι μοιραζόμαστε την εμπλοκή μεταξύ Α και Β και μεταξύ Β και Γ. Και τότε έχουμε έναν τρόπο να κάνουμε μια μέτρηση στο Β των δύο μισών αυτών των μπερδεμένων ζεύγη. Το λέμε εναλλαγή διαπλοκής.

Κάνετε μια μέτρηση των δύο qubits στο B και μετά λέτε στους A και C, "Ω, εδώ είναι το αποτέλεσμα της μέτρησης που είχα." Τώρα ο Α και ο Γ μπορούν να μοιράζονται τη διαπλοκή. ΕΝΤΑΞΕΙ? Στην πραγματικότητα, επεκτείνουμε το, χμ, το εύρος της εμπλοκής. Είναι μια παραλλαγή της τηλεμεταφοράς.

Και δεν σας έχω πει ολόκληρη την ιστορία ακόμα, γιατί αν η εμπλοκή από το Α στο Β δεν είναι τόσο καλή και η εμπλοκή από το Β στο Γ δεν είναι τόσο καλή, μπορούμε να πάρουμε πολλά ζεύγη εμπλοκής που είναι κάπως θορυβώδη και ατελείς, και υπάρχει τρόπος να τα αποστάξετε σε λιγότερα μπερδεμένα ζεύγη, τα οποία είναι πολύ υψηλότερης ποιότητας. Και κάνοντας αυτό επανειλημμένα, μπορούμε να δημιουργήσουμε μια σύνδεση μεταξύ Καλιφόρνια και Νέας Υόρκης, και μετά μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε για ό,τι θέλουμε. Μπορεί να το χρησιμοποιήσουμε για να αναπτύξουμε αυτό το κοινόχρηστο κλειδί που γνωρίζουμε ότι είναι ιδιωτικό ή μπορεί να το χρησιμοποιήσουμε για να στείλουμε κβαντικές πληροφορίες.

Ακολουθεί ένας πιο απλός τρόπος, σε μικρότερες αποστάσεις, με τον οποίο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την τηλεμεταφορά. Εάν έχουμε δύο τσιπ σε έναν κβαντικό υπολογιστή και θέλουμε να στείλουμε κβαντικές πληροφορίες από το ένα στο άλλο, ο τρόπος που μπορούμε να το κάνουμε είναι να δημιουργήσουμε εμπλοκή μεταξύ των δύο τσιπ και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουμε τηλεμεταφορά για να στείλουμε πληροφορίες από το ένα στο άλλο . Και αυτό πιθανότατα θα είναι απαραίτητο για την κλιμάκωση της κβαντικής υπολογιστικής σε μεγάλα συστήματα που μπορούν να λύσουν πραγματικά δύσκολα προβλήματα.

ΛΕΒΙΝ: Θα επιστρέψουμε αμέσως.

[Διάλειμμα για εισαγωγή διαφήμισης]

ΛΕΒΙΝ: Καλώς ήρθατε πίσω στο «The Joy of Why».

Άρα μιλάτε πραγματικά για τεχνολογίες. Γνωρίζω ότι πρόσφατα κάνατε κάτι πρωτοποριακό για ένα νέο κέντρο στο Caltech. Το Κέντρο για την Κβαντική Μέτρηση Ακρίβειας, πιστεύω ότι θα ονομαστεί.

PRSKILL: Αυτό είναι σωστό, ναι. Κάνατε την έρευνά σας.

ΛΕΒΙΝ: Ναι. Και είναι αυτό εν μέρει προσανατολισμένο προς τις προηγμένες τεχνολογίες; Όπως είπες, είσαι θεωρητικός φυσικός. Αυτό λένε κάποιοι άνθρωποι, «η εκπληκτική χρησιμότητα των άχρηστων ιδεών». Αλλά είστε προσανατολισμένοι προς την προώθηση των τεχνολογιών με ένα τέτοιο κέντρο ή θέλετε να φέρετε επανάσταση, πραγματικά, στη θεμελιώδη κατανόησή μας για την κβαντική μηχανική ή και τα δύο;

PRSKILL: Δεν μπορούμε πραγματικά να διαχωρίσουμε αυτά τα πράγματα. Επιστήμη και τεχνολογία προχωρούν μαζί. Καθώς η επιστήμη μας γίνεται πιο εξελιγμένη, αναπτύσσουμε καλύτερες τεχνολογίες και αυτό επιτρέπει νέες ανακαλύψεις. Όταν η επιστήμη προχωρά, είναι μέσω ενός συνδυασμού νέων ιδεών και νέων τεχνολογιών.

Έτσι, με ενδιαφέρουν οι κβαντικοί υπολογιστές, για παράδειγμα, και υπάρχουν λόγοι να περιμένουμε ότι τελικά αυτό θα έχει μεγάλο πρακτικό αντίκτυπο στην κοινωνία. Αλλά είναι επίσης ένα θαυμάσιο όργανο για επιστημονική ανακάλυψη. Έτσι, στο Κέντρο Μέτρησης Κβαντικής Ακρίβειας, ναι, θα αναπτύξουμε τεχνολογία, αλλά με το βλέμμα σε καλύτερες στρατηγικές μέτρησης που εκμεταλλεύονται ιδιότητες όπως η κβαντική εμπλοκή, η οποία θα μας επιτρέψει να μετράμε τα πράγματα με μεγαλύτερη ακρίβεια και λιγότερη επεμβατικότητα.

Όλοι θέλουν να μετρούν καλύτερα τα πράγματα και οι κβαντικές στρατηγικές μπορούν να μας βοηθήσουν να κάνουμε μετρήσεις που διαφορετικά δεν θα ήταν δυνατές. Αυτό είναι πραγματικά το πνευματικό θέμα αυτού του κέντρου.

ΛΕΒΙΝ: Ναι, και όλοι θέλουν να ελέγχουν τις πληροφορίες καλύτερα, πιο γρήγορα.

PRSKILL: Λοιπόν, όλοι καταλαβαίνουν ότι οι πληροφορίες είναι σημαντικές και για ποιον σκοπό θα χρησιμοποιηθούν οι κβαντικές πληροφορίες και πού θα είναι ο μεγάλος πρακτικός αντίκτυπος — υπάρχουν ακόμα πολλά ανοιχτά ερωτήματα σχετικά με αυτό.

Αλλά μπορούμε να προβλέψουμε ότι με τις κβαντικές πληροφορίες, με τους κβαντικούς υπολογισμούς, τη χρήση της κβαντικής εμπλοκής για μέτρηση, θα είμαστε σε θέση να κάνουμε πράγματα που δεν μπορούσαμε να κάνουμε πριν. Και αυτό θα έχει πρακτικό αντίκτυπο τελικά.

ΛΕΒΙΝ: Προβλέπετε ότι αυτός ο πρακτικός αντίκτυπος θα επεκταθεί στην καθημερινή μας ζωή;

PRSKILL: Τελικά, το περιμένω. Δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα πώς θα γίνει αισθητός αυτός ο αντίκτυπος. Στην περίπτωση του κβαντικού υπολογισμού, η καλύτερη ιδέα που έχουμε αυτή τη στιγμή — και είναι μια παλιά ιδέα, που χρονολογείται εδώ και 40 χρόνια Richard Feynman — είναι ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε κβαντικούς υπολογιστές για να κατανοήσουμε βαθύτερα πώς συμπεριφέρονται τα κβαντικά συστήματα.

Οι φυσικοί όπως εμείς καταλαβαίνουν ότι αυτό είναι ενδιαφέρον, αλλά είναι επίσης σημαντικό γιατί μπορεί να επιτρέψει την ανακάλυψη νέων τύπων υλικών με χρήσιμες ιδιότητες, νέους τύπους χημικών ενώσεων, ίσως συμπεριλαμβανομένων των φαρμακευτικών προϊόντων και ούτω καθεξής. Και όλα αυτά τελικά επηρεάζουν την καθημερινή ζωή των ανθρώπων. Και με την κβαντική μέτρηση επίσης, νομίζω ότι η κβαντική τεχνολογία θα αγγίξει πραγματικά τα πάντα στην επιστήμη τελικά.

Ας πούμε στη βιολογία και την ιατρική, θα θέλαμε να μπορούμε να παρατηρούμε τι συμβαίνει μέσα στα κύτταρα, μη επεμβατικά και με μεγαλύτερη ευαισθησία. Και αυτό θα είναι σημαντικό για τις θεραπείες τελικά, και θα είναι επίσης σημαντικό για την βαθύτερη κατανόηση της βιολογικής επιστήμης.

ΛΕΒΙΝ: Υπάρχει επίσης ένα μέρος για την κβαντική τηλεμεταφορά για την κατανόηση της θεμελιώδους φύσης της βαρύτητας, η οποία γνωρίζω ότι υπήρξε κεντρικός τομέας της έρευνάς σας. Πώς θα μπορούσε η εμπλοκή να παίξει ρόλο σε πράγματα τόσο μεγάλα και βαριά όπως οι μαύρες τρύπες;

PRSKILL: Για μένα, αυτό είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά πράγματα σχετικά με την κβαντική πληροφορία, είναι ότι μας δίνει νέους τρόπους να σκεφτόμαστε άλλα θεμελιώδη ερωτήματα, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης, όπου προσπαθούμε να κατανοήσουμε πολύ μπερδεμένες καταστάσεις της κβαντικής ύλης. και στη βαρυτική φυσική.

Αυτή η ιστορία πηγαίνει πολύ πίσω στο 1935, όταν δύο διάσημες εφημερίδες εμφανίστηκαν στο Φυσική επισκόπηση. Ένα από αυτά, του Αϊνστάιν και [Νέιθαν] Ρόζεν, αφορούσε την παρατήρηση ότι μπορούμε να βρούμε λύσεις στη γενική σχετικότητα στις εξισώσεις του Αϊνστάιν, που περιγράφει τον χωροχρόνο, στον οποίο υπάρχει μια σκουληκότρυπα στο διάστημα. Αυτό δεν έγινε κατανοητό τόσο καλά εκείνη την εποχή, αλλά στην πραγματικότητα, η λύση περιγράφει δύο μαύρες τρύπες, οι οποίες έχουν ένα κοινό εσωτερικό — ένα είδος σκουληκότρυπας που συνδέει το εσωτερικό αυτών των δύο μαύρων τρυπών.

Και το χαρτί του Αϊνστάιν, [Μπόρις] Ποντόλσκι και ο Ρόζεν ήταν για την κβαντική εμπλοκή και τον περίεργο τρόπο με τον οποίο επιτρέπει στα συστήματα να συσχετίζονται μεταξύ τους με τρόπο που δεν μπορούμε να περιγράψουμε με όρους κλασικής πληροφορίας.

Και τι έχουμε καταλάβει τα τελευταία 10 χρόνια: Αυτά τα δύο φαινόμενα, η κβαντική εμπλοκή και οι σκουληκότρυπες στο διάστημα, σχετίζονται στενά μεταξύ τους. Στην πραγματικότητα, μπορούν να θεωρηθούν ως δύο τρόποι για να περιγράψουμε το ίδιο πράγμα. Αυτό είναι ένα κοινό πράγμα στη φυσική και πολύ ενδυναμωτικό. Αν έχουμε δύο διαφορετικούς τρόπους για να περιγράψουμε το ίδιο φαινόμενο, οι οποίοι φαίνονται πολύ διαφορετικοί μεταξύ τους, αλλά περιγράφουν ακριβώς την ίδια φυσική, αυτό μπορεί να μας δώσει τη δυνατότητα να κατανοήσουμε βαθύτερα.

Και έτσι, αυτό που εκτιμούμε τώρα, και το οποίο μπορούμε να πούμε πολύ ρητά στην εκδοχή της κβαντικής βαρύτητας που καταλαβαίνουμε καλύτερα, είναι ότι εάν δύο μαύρες τρύπες μπλέξουν πολύ η μία με την άλλη, θα συνδεθούν με μια σκουληκότρυπα στο διάστημα.

Η Αλίκη θα μπορούσε να έχει τη μαύρη τρύπα της, και ο Μπομπ θα μπορούσε να έχει τη δική της, και αν είναι μπλεγμένοι μεταξύ τους, σημαίνει ότι η Αλίκη και ο Μπομπ θα μπορούσαν και οι δύο να πηδήξουν στις μαύρες τρύπες τους. Και μετά θα μπορούσαν να συναντηθούν, και ίσως να κάνουν μια σχέση για λίγο, αν και θα ήταν καταδικασμένοι, όπως ο Ρωμαίος και η Ιουλιέτα, να χτυπήσουν τη μοναδικότητα και να καταστραφούν. Μπορούμε όμως να το κάνουμε ακόμα πιο διασκεδαστικό, και εδώ είναι που μπαίνει η τηλεμεταφορά.

Μπορούμε να φτιάξουμε μια σκουληκότρυπα στο διάστημα, κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, διασχίσιμη. Η αρχική σκουληκότρυπα που περιγράφηκε αρχικά από τους Αϊνστάιν και Ρόζεν είναι ένα παράδειγμα μη διασχίσιμης σκουληκότρυπας. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορείς να πηδήξεις από τη μια άκρη και να βγεις στην άλλη άκρη. Αλλά αυτό που καταλάβαμε είναι ότι είναι πραγματικά δυνατό στην κβαντική θεωρία να στείλουμε έναν παλμό αρνητικής ενέργειας σε μια μαύρη τρύπα. Όταν συνήθως στέλνετε ύλη σε μια μαύρη τρύπα, κάνει τον ορίζοντα γεγονότων της να μετακινηθεί λίγο προς τα έξω, αυτός ο παλμός αρνητικής ενέργειας μπορεί να την κάνει να κινηθεί λίγο προς τα μέσα. Και αυτό ακριβώς χρειαζόμαστε για να μπορέσουμε η Alice να ρίξει ένα κομμάτι ή ένα qubit στη μαύρη τρύπα της και να βγει στο τέλος του Bob.

Υπάρχει ένας εναλλακτικός τρόπος να περιγραφεί αυτό, που είναι ότι αυτή είναι πραγματικά μια μορφή κβαντικής τηλεμεταφοράς.

Οπότε νομίζω ότι είναι πραγματικά διασκεδαστικό, γιατί υποδηλώνει ότι η βαρυτική διαίσθηση μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά πολύ περίπλοκων κβαντικών συστημάτων που διαφορετικά θα φαινόταν πολύ μη διαισθητική.

ΛΕΒΙΝ: Είναι μια απολύτως φοβερή και συναρπαστική στροφή να εμβαθύνουμε τόσο βαθιά στο κβάντο, να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τα μεγάλης κλίμακας φαινόμενα, όπως η ίδια η ύπαρξη των μαύρων τρυπών ή η επιβίωσή τους.

Και θα μιλήσω κρυφά σε μια ερώτηση σχετικά με την εξάτμιση των μαύρων τρυπών και πώς η κβαντική τηλεμεταφορά θα μπορούσε να είναι σημαντική για την κατανόηση του πώς, εάν η Αλίκη πηδήξει στη μαύρη τρύπα της, οι πληροφορίες της μπορεί τελικά να μην χαθούν και αυτή η κβαντική τηλεμεταφορά μπορεί να είναι ένας τρόπος για να ανακτήσουμε αυτό που συνέβη στην Αλίκη αφού πήδηξε στη μαύρη τρύπα.

PRSKILL: Λοιπόν, ήξερα ότι όταν συναντιόμουν με τη Janna Levin, τελικά θα μιλούσαμε για μαύρες τρύπες.

ΛΕΒΙΝ: [γέλιο] Μπορώ να μετατρέψω οποιαδήποτε συζήτηση σε συζήτηση για μαύρες τρύπες.

PRSKILL: Δεν υπάρχει έκπληξη.

Στην πραγματικότητα, νομίζω ότι αυτό που μόλις περιέγραψα μας δίνει μια εικόνα για τη διαδικασία με την οποία οι πληροφορίες διαφεύγουν από τις μαύρες τρύπες, κάτι που πιστεύουμε ότι συμβαίνει. Οι νόμοι της φυσικής δεν επιτρέπουν την καταστροφή πληροφοριών, ακόμη και όταν πέφτουν σε μαύρες τρύπες και οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται. Απλώς ανακατεύεται σε κάποια μορφή που είναι εξαιρετικά δύσκολο να διαβαστεί. Υπάρχει κάποιου είδους παραβίαση της τοποθεσίας. Αυτή είναι η πιο ή μια από τις πιο θεμελιώδεις αρχές της φυσικής. Αναφερθήκαμε νωρίτερα - ότι οι πληροφορίες δεν μπορούν να ταξιδέψουν ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.

Αλλά, κατά κάποιο τρόπο, για να βγούμε από μια μαύρη τρύπα, εξ ορισμού οι πληροφορίες ταξιδεύουν γρηγορότερα από το φως. Το φως είναι παγιδευμένο μέσα, οι πληροφορίες βγαίνουν έξω. Και αυτό που δείχνει είναι ότι η έννοια της αιτιότητας - ο τρόπος που συνήθως το σκεφτόμαστε, ότι υπάρχει ένα όριο ταχύτητας στο πόσο γρήγορα μπορούν να ταξιδεύουν οι πληροφορίες - δεν είναι αυστηρά αληθινή σε όλες τις συνθήκες. Αυτή η αρχή μπορεί να παραβιαστεί.

Και ο ίδιος ο χωροχρόνος μπορεί να μην είναι πραγματικά μια θεμελιώδης έννοια. Μάλλον, είναι ένα αναδυόμενη ιδιότητα κάποιου πολύπλοκου κβαντικού συστήματος στην οποία τα πράγματα είναι πολύ μπλεγμένα.

Πώς, λοιπόν, πιστεύουμε, υπό κανονικές συνθήκες, ότι αυτή η έννοια της αιτιότητας φαίνεται να ικανοποιείται τόσο αυστηρά; Λοιπόν, νομίζω ότι έχουμε μια απάντηση σε αυτό, και είναι πολύ ενδιαφέρον ότι συνδέεται με τον κβαντικό υπολογισμό.

Νομίζουμε ότι είναι είναι δυνατό να παραβιαστεί η αιτιότητα, για αποστολή πληροφοριών γρηγορότερα από το φως. Αλλά για να γίνει αυτό απαιτείται ένας κβαντικός υπολογισμός του είδους που θα μπορούσατε να κάνετε σε έναν κβαντικό υπολογιστή, ο οποίος είναι τόσο περίπλοκος και τόσο ισχυρός που δεν θα μπορέσουμε ποτέ να το κάνουμε στην πράξη.

Λοιπόν, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να χωρίσουμε το διάστημα μεταξύ εμένα στην Καλιφόρνια και εσένα, Janna, στη Νέα Υόρκη. Καταρχήν, μπορούμε. Στην πράξη, είναι τόσο εξαιρετικά δύσκολο να το κάνεις, που θα απαιτούσε έναν τόσο ισχυρό υπολογισμό, που κανείς δεν θα τα καταφέρει ποτέ.

ΛΕΒΙΝ: Αξιοσημείωτος. Τώρα, Τζον, έχεις περάσει πολύ από τη ζωή σου προσπαθώντας να κατανοήσεις μερικές από τις πιο άπιαστες και προκλητικές έννοιες στην κβαντική θεωρία. Τι είναι αυτό που σας φέρνει χαρά στη μελέτη της θεωρητικής φυσικής και της κβαντικής τηλεμεταφοράς;

PRSKILL: Λοιπόν, είμαι πολύ εύκολο να διασκεδάσω, οπότε πολλά πράγματα με φέρνουν χαρά. Αλλά και οι ερωτήσεις και οι απαντήσεις μπορούν να φέρουν μια χαρά. Ιδέες που, ξέρετε, δεν έχετε ξανακούσει και συνειδητοποιείτε ότι είναι βαθιές και συναρπαστικές μπορούν να φέρουν χαρά. Έτσι, όταν αρχικά κατάλαβα ότι μπορούμε θεωρητικά —και νομίζω τελικά στην πράξη— να κατασκευάσουμε κβαντικούς υπολογιστές τόσο ισχυρούς που θα μπορούν να λύνουν προβλήματα που δεν θα μπορούσαμε ποτέ να λύσουμε αν αυτός ήταν ένας κλασικός κόσμος, ήταν κάπως μια από τις πιο ευτυχισμένες στιγμές, να συναντήσω μια τόσο βαθιά και ενδιαφέρουσα ιδέα. Και η σκέψη γι' αυτό με οδήγησε τελικά να αλλάξω την κατεύθυνση της δικής μου έρευνας.

ΛΕΒΙΝ: Είναι τόσο όμορφα πράγματα. Μιλούσαμε με τον θεωρητικό φυσικό του Caltech, John Preskill, για την απίστευτη φύση και τις πιθανές εφαρμογές της κβαντικής τηλεμεταφοράς. Γιάννη, σε ευχαριστούμε πολύ που είσαι μαζί μας σήμερα.

PRSKILL: Πέρασα υπέροχα, Γιάννα. Ευχαριστώ.

ΛΕΒΙΝ: Και εγώ. Είναι πάντα διασκεδαστικό να μιλάς. 'Μέχρι σύντομα.

[Παίζει το θέμα]

ΛΕΒΙΝ: Το "The Joy of Why" είναι ένα podcast από Quanta Magazine, μια εκδοτικά ανεξάρτητη έκδοση που υποστηρίζεται από το Ίδρυμα Simons. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης από το Ίδρυμα Simons δεν επηρεάζουν την επιλογή των θεμάτων, των προσκεκλημένων ή άλλων συντακτικών αποφάσεων σε αυτό το podcast ή σε Quanta Magazine.

Το «The Joy of Why» είναι παραγωγή του PRX Productions. Η ομάδα παραγωγής είναι η Caitlin Faulds, η Livia Brock, η Genevieve Sponsler και η Merritt Jacob. Εκτελεστικός παραγωγός της PRX Productions είναι η Jocelyn Gonzales. Η Morgan Church και ο Edwin Ochoa παρείχαν πρόσθετη βοήθεια. Από Quanta Magazine, ο John Rennie και ο Thomas Lin παρείχαν συντακτική καθοδήγηση, με την υποστήριξη των Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana και Madison Goldberg.

Η θεματική μας μουσική είναι από την APM Music. Ο Τζούλιαν Λιν επινόησε το όνομα του podcast. Το καλλιτεχνικό επεισόδιο είναι του Peter Greenwood και το λογότυπό μας είναι των Jaki King και Kristina Armitage. Ιδιαίτερες ευχαριστίες στο Columbia Journalism School και τον Bert Odom-Reed στο Cornell Broadcast Studios.

Είμαι ο οικοδεσπότης σου, Janna Levin. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις ή σχόλια για εμάς, στείλτε μας email στο [προστασία μέσω email]. Ευχαριστώ που άκουσες.