Er fjarflutningur vísindalega mögulegur? Verðum við fljótlega fær um að ferðast um heima nánast samstundis? Í dag verður reynt að segja frá því sem er nýtt á þessu sviði.
Fjarflutningur hefur verið draumur manna frá upphafi heimsins. Maður vill samstundis hreyfa sig í geimnum, ferðast, án þess að eyða tíma í þreytandi ferðir yfir langar vegalengdir. Þetta efni hefur lengi verið til staðar í mörgum verkum poppmenningar, en það er enn viðfangsefni rannsókna. Þrátt fyrir að árið 2004 hafi það jafnvel verið skráð einkaleyfi á "fjarflutningskerfinu fyrir allan líkamann" eru þegar fyrstu árangurinn í fjarflutningsrannsóknum, en þeir sanna að það verður alls ekki það sem við búumst við af þessari tækni.
Hvers vegna vekur umræðuefnið fjarflutningur svona mikið ímyndunarafl mannkyns? Ef við myndum gera lista yfir eftirsóttustu tækni í heiminum væri fjarflutningur í fremstu röð. Hugsaðu bara hversu mörg vandamál við myndum leysa ef við gætum flutt á milli mismunandi staða samstundis. Því miður er margt sem bendir til þess að fjarflutningur í þeirri mynd sem við viljum sjá, að minnsta kosti í bili, sé óviðráðanleg. Hins vegar þýðir þetta ekki að fjarflutningur sé alls ekki mögulegur. Hún lítur bara öðruvísi út en við ímyndum okkur.
Ekki er hægt að tala um fjarflutning án stuttrar kynningar á grunnatriðum skammtaeðlisfræðinnar. Og þetta getur aftur á móti dregið úr mörgum frá því að lesa greinina frekar. En trúðu mér, við munum ekki kafa of djúpt í þessi fátækrahverfi, heldur reyna að útskýra yfirborðslega, í einföldum orðum og með skýrum dæmum, meginregluna um fjarflutning. Við skulum reyna að útskýra hvernig það getur virkað núna. En af hverju segi ég nákvæmlega "hvernig það virkar núna"? Er þetta nú þegar að gerast? Já, dömur mínar og herrar, fyrstu alvarlegu skrefin hafa þegar verið stigin. Hins vegar tókst vísindamönnum að fjarskipta ekki manneskju, búnaði eða efni, heldur upplýsingum. Tókst okkur að vekja áhuga þinn? Lestu áfram fyrir það sama.
Framfarir í fjarflutningsrannsóknum
Allir vita hvað fjarflutningur er, en ekki allir vita að nokkur skref hafa þegar verið tekin í þróun þess. Og það er langt síðan Einstein fjallaði um þetta mál. Vísindamenn hafa þegar komist að því að allt byrjar á smáskalastigi, það er að segja á stigi skammtaagna. Þegar byrjað var að rannsaka þessar skammtaeindir var tekið eftir undarlegri hegðun þeirra. Sjálft ferlið í samskiptum þeirra var allt annað en allt sem hægt er að sjá með berum augum á stórum mælikvarða. Það kom í ljós að skammtafræði agnir geta verið á tveimur stöðum í einu. Vísindamenn kalla þetta meginregluna um superposition. Hins vegar kemur yfirsetning aðeins þegar agnirnar hafa ekki samskipti sín á milli, það er að segja að ekkert gerist fyrir þær. Þegar þeir eru í hvíld erum við að tala um svokallað hrun líkindabylgjunnar. Ég geri mér grein fyrir því að mörg ykkar eiga erfitt með að skilja þetta allt saman. Auðveldasta leiðin til að sýna þetta ástand er með hjálp tölvubita. Eins og þú veist, þá virka þeir í tvíundarkerfinu, það er að þeir geta verið núll eða einn. Og qubits (skammtabitar) geta verið bæði "núll" og "einn" á sama tíma - þar til líkindabylgjan hrynur.
Einstein tókst að uppgötva það sem hann kallaði "fantómsamskipti í fjarlægð." Við rannsóknir hans kom í ljós að venjulegar agnir geta verið samtvinnuð á skammtastigi. Án þess að fara nánar út í smáatriðin mun ég segja að slíkar tvær agnir geta makast, þó þær hafi mismunandi eiginleika (til dæmis skriðþunga). Og nú er það áhugaverðasta að eftir pörun breytast eiginleikar einnar þeirra, samtímis breytast eiginleikar hinnar agnarinnar. Burtséð frá fjarlægðinni sem þeir eru! Og þetta er nákvæmlega það sem fjarflutningur virkar á í dag. Ef þú reynir að lýsa því með einföldum orðum, auðvitað, því því lengra inn í skóginn...
Á rannsóknarstofum tókst vísindamönnum að flytja ástand ögn frá punkti A yfir í punkt B, en með því berast engar sérstakar upplýsingar um þessa ögn. Hvers vegna? Aðalvandamálið er að miðað við núverandi stöðu rannsókna geta báðir aðilar ekki staðfest þessar fyrstu upplýsingar, það er að segja að vísindamenn geta ekki ákveðið hvað kom á undan og hvað kom næst. Næstum eins og hænan og eggið. Á þessu stigi er rétt að draga fram þessi hugtök. Í ljós kom að upplýsingar eru eitthvað miklu flóknara en hegðun ögnarinnar sjálfrar.
Og þetta er helsta takmörkunin í þróun fjarflutningstækninnar, sem um leið varpar ljósi á það sem kann að verða áorkað í framtíðinni og hvað sennilega verður ekki áorkað. Við skulum draga saman. Eins og er getum við "parað" agnir hver við aðra á skammtastigi. Við getum flutt ástand agnanna frá punkti A til punktar B, en við flytjum ekki nauðsynlegar upplýsingar. Við höfum ekki tæknilega getu til að þróa sérstaka rás sem myndi senda þessar upplýsingar á ljóshraða. Á jörðinni sendum við upplýsingar í gegnum útvarpsrásir eða ljósleiðara, en þetta er allt annað stig.
Lestu líka: Um skammtatölvur í einföldum orðum
Myntbragð
Svo hvers vegna fjarflytjum við ekki upplýsingar í stórum stíl þegar við virðumst hafa náð tökum á tækninni? Jæja, ekki er allt eins einfalt og það kann að virðast. Við stjórnum ekki að fullu hvaða skammtaástand (og þar með afleiðing fjarflutnings) við lendum í. Til að útskýra þetta nota vísindamenn dæmi um mynt.
Við erum með tvo mynt flækt í skammtavíddinni. Hvort um sig getur haft eitt af tveimur stöðum - framhlið eða bakhlið, annað fer til sendanda, hitt til viðtakanda. Eftir flækju, ef sá fyrsti vísar á framhliðina, verður sá síðari einnig að benda á framhliðina. Sem betur fer eða því miður er þetta nokkurn veginn hvernig þetta virkar í skammtaeðlisfræði. Vitandi þetta byrjar sendandinn að spinna fyrstu myntina og á sama tíma snýst myntin til þess sem hann var sendur til. Á meðan myntin snýst veit enginn útkomuna. Hvorki sendandi né viðtakandi. Þar til mynt sendandans stoppar veit hann ekki hvaða upplýsingar hann sendir í raun og veru til viðtakandans. Í stuttu máli, við sendum "eitthvað", en við vitum ekki alveg hvað. Þar til þær eru sendar eru upplýsingarnar áfram í yfirskipuninni.
Þessi takmörkun gerir það að verkum að ómögulegt er að senda sérstakar upplýsingar á þessu stigi þróunar, því sendandi getur ekki ákveðið hvort við fáum það sem hann ætlaði að senda. Svo, það er engin flutningsrás sem athugar upplýsingarnar á báðum hliðum. Skammtatölvur gætu hjálpað okkur hér, en þær eru bara að birtast og enn sem komið er eru þær frekar frumstæðar. Við munum tala um þá í dag.
Lestu líka: Blockchains morgundagsins: Framtíð dulritunargjaldmiðilsiðnaðarins í einföldum orðum
Er fjarflutningur manna jafnvel mögulegur?
Hér komum við að mikilvægustu spurningunni fyrir marga. Svo getum við jafnvel hugsað um að fjarskipta fólki eða öðrum lífverum út frá veruleika nútímans? Jæja, sennilega er ekki ein einasta manneskja á jörðinni sem gæti svarað þessari spurningu ótvírætt. Hins vegar, þegar litið er á þróunarstefnuna, finnst mér persónulega að það ætti að gleymast í bili. Hvers vegna?
Athugið að þegar við tölum um fjarflutning er alltaf talað um að flytja ástand agna. Þess vegna verður þessi ögn að vera í einhverju "skilgreindu" ástandi. Á sama tíma breytist mannsheilinn á hverri míkrósekúndu. Milljarðar taugamóta, rafeinda, hvata - þetta ferli er nánast ómögulegt að stöðva. Það kann að virðast sem heilinn sé staður þar sem upplýsingar sem berast frá umhverfinu eru geymdar. Þá gæti verið hægt að fjarskipta manneskju með þær upplýsingar, en það væri örugglega ekki sama manneskjan með sama heila og þegar „fært“ var gert. Þegar öllu er á botninn hvolft er ríkið sjálft nokkurs konar met og þegar um taugamiðstöð okkar er að ræða er ekki einu sinni upphaflegt „ástand“. Nema við séum að tala um sálfræðing.
Þetta eru auðvitað bara getgátur og forsendur, því eins og er getur enginn sagt með skýrum hætti fyrir um hvað framtíðin ber í skauti sér. Hins vegar, núverandi stefna rannsókna og þróunar fjarflutningstækni gerir okkur kleift að skilja að við munum fara í aðra átt.
Er framtíð fjarflutnings tengd skammtatölvum?
Svo er framtíð í fjarflutningi, og hvað er það? Önnur bylting í þessu efni átti sér stað árið 2019. Eins og við höfum þegar nefnt er fjarflutningur skammtaástandsins fræðilega mögulegt í hvaða fjarlægð sem er. Aðeins fræðilega, þar sem það hefur ekki enn verið rannsakað að fullu, en sú staðreynd að færa ögn yfir meira en 500 kílómetra vegalengd getur sannað það. Við vitum líka að langflóknasta upplýsingaeiningin er minnsti qubitinn (þ.e. hinn vel þekkti "biti" í yfirsetningu).
Þrátt fyrir þetta, vegna hruns líkindabylgjunnar við athugun, hefur okkur hingað til tekist að fjarskipta í stöðu 0 eða 1, og ekkert annað. Fyrir nokkru tókst tveimur óháðum teymum vísindamanna að senda yfirbyggingu þriggja ríkja á sama tíma, sem þeir kölluðu skútu. Það tókst þó ekki alveg en tilraunin sjálf sýnir vel að vísindamenn hafa ekki gleymt fjarflutningi. Hvað þýðir þetta fyrir okkur? Í hnotskurn þýðir þetta að við erum mjög hægt, en samt að auka kraftinn, sem í framtíðinni getur leitt til fyrstu fullu miðlunar upplýsinga.
Í lok árs 2019 varð staðan enn áhugaverðari. Hópur vísindamanna frá Zürich tókst að fjarskipta magn gagna. 10000 skammtabitar (qubits) voru fluttir á milli sjálfstætt starfandi tölvukerfa á einni sekúndu. Þeir smíðuðu tölvukubba með rafeindatækni sem er þriggja míkron að stærð. Tveir voru sendir en sá þriðji var viðtakandi. Flæktar rafeindir við hitastig nálægt algeru núlli þýddu að gögn sem send voru til sendisins birtust einnig í viðtakandanum, þ.e.a.s. samkvæmt meginreglum skammtaeðlisfræðinnar. Og hvers vegna erum við að tala um fjarflutning en ekki bara gagnaflutning? Jæja, vegna þess að það var enginn vír eða önnur tilgreind leið á milli kerfanna.
Ég tel að öll mál sem fjallað er um hér að ofan skapi frekar svartsýna útgáfu af atburðum, sem aftur mun endurspegla áhuga þinn á viðfangsefninu. En það er ekki kominn tími til að örvænta og missa áhugann á efni fjarflutnings. Vísindin standa ekki í stað. Með þróun rannsókna á fjarflutningi á ástandi skammtaagna fór loksins að birtast búnaður í formi skammtatölva. "Hvað hefur þetta með umræðuefnið okkar að gera?" - þú spyrð. Jæja, með hjálp þeirra viljum við ná að búa til sérstaka skammtarás. Þökk sé þessu verður hægt að fjarflytja upplýsingar, í stað þess að senda þær eins og þær eru núna, meðal annars með hjálp ljósleiðara (auðvitað er verið að tala um "hefðbundna dreifingu", ekki um skammtaeindir) . Já - þetta er leið til að hafa meint áhrif "sendanda myntsins" á niðurstöðu dreifingar hennar á mynt viðtakandans.
Vinnu slíkra tölva er áhugavert að lýsa, ef þú skilur að skammtatölva er ekki hægt að bera saman við venjulega borðtölvu. Þetta er allt það sama og að segja að glóandi lampi sé bara "sterkara kerti". Þetta er gjörólík tækni sem er ekki einu sinni lík hver annarri. Og alveg eins og nútímatölvur vinna með tvö ástand í tvöfalda kerfinu (0 og 1) geta skammtatölvur unnið með ástand sem eru í yfirskipun. Þannig að þeir geta til dæmis verið 60% núll og 40% einn á sama tíma. Það hljómar flókið, svo við skulum halda áfram að öðru dæmi.
Við spilum "framhlið eða afturábak" með tölvunni (ég nefndi þegar að þetta er uppáhaldsdæmi vísindamanna þegar útskýrt er skammtaástand). Framhliðin er sjálfgefið á borðinu. Í fyrstu umferð getur tölvan fleytt myntinni eða látið hana vera óbreytta, en við vitum ekki hver niðurstaða endanlegrar ákvörðunar verður. Þá fáum við sama tækifæri og tölvan veit ekki útkomuna heldur. Eftir nokkrar umferðir er ástand myntarinnar athugað. Ef framhliðin hefur breyst vinnur tölvan, annars vinnum við. Þetta gefur okkur nákvæmlega 50% möguleika á að vinna.
Ef við spilum sama leikinn með skammtatölvu mun tölvan í rauninni fá 100% möguleika á að vinna (í rannsókn vann hún 97% í yfir 300 mismunandi leikjum, 3% sem eftir eru eru líklega... vegna kerfisvillu). En hvernig er þetta hægt? Ímyndaðu þér að hverja umferð haldi tölvan yfirstöðu sinni, því það sést ekki af neinum áhorfendum (enginn úr umhverfinu, þar á meðal okkur). Á sama tíma ákveður vélin 30% hlynnt framhlið og 70% hlynnt því að yfirgefa núverandi ástand, í næstu umferð velur hún aðra. En það mikilvægasta er að skammtatölva velur alltaf tvö mismunandi ástand (þegar við veljum aðeins eitt). Í lok leiksins, þegar úrslitin koma í ljós, brotnar líkindabylgjan og... hann vinnur.
Er skammtatölvan að blekkja okkur? Nei! Ég veit að það er erfitt að skilja það, en ímyndaðu þér að í þessum nokkrum umferðum helli tölvan tveimur mismunandi safi í eina skál í mismunandi hlutföllum, og alveg í lokin aðskilur báðir hlutar blöndunnar, bókstaflega „sigrast“ líkurnar og gerir alltaf rétt val. Það er erfitt að trúa því, en í reynd er þetta nákvæmlega það sem gerist.
Óljóst fyrirbæri, en það er góð lýsing á krafti skammtaeðlisfræðinnar. Á stigi skammtasameinda væri slík tölva mun betri í að þróa til dæmis ný lyf. Það myndi vissulega koma okkur að góðum notum við aðstæður heimsfaraldurs og til að sigrast á öðrum sjúkdómum. En það sem skiptir mestu máli er að slík tölva nýtist vel við þróun fjarskiptaupplýsingatækni. Og þetta eru ekki léttvæg orð! Þegar það verða margar skammtatölvur í heiminum munu skammtasameindir hverrar þeirra geta blandast (parast) hver við aðra. Síðan, ef við breytum eiginleikum eins þeirra, breytum við líka ástandi pöruðu sameindarinnar. Loks verður hægt að senda upplýsingar því strax eftir að þær eru sendar er hægt að ákvarða upphafs- og lokaástand. Í öllu falli skulum við rifja upp afrek skammtaofurtölvu Google. Á 200 sekúndum gerði hann útreikninga sem myndu krefjast... 10 ára reksturs á hröðustu "venjulegu" ofurtölvunni. Svo þú getur séð mikla möguleika og kraft sem það hefur í för með sér.
Þannig yrði til alveg ný flutningsrás sem okkur dreymdi ekki einu sinni um. Rétt eins og ljósleiðari eða útvarpsrás núna. Og þar sem, eins og áður hefur verið nefnt, eru fræðilega engin takmörk fyrir fjarflutningsfjarlægð skammtaástandsins, munum við einnig geta átt samskipti við aðrar plánetur á augabragði. Og það á einstaklega öruggan hátt. Þökk sé fjarflutningi væri jafnvel fræðilega ómögulegt að "fanga" upplýsingar. Á hinn bóginn, ef fjarflutningur yrði mögulegur, myndi greindur einstaklingur finna leið til að gera það. Kannski vitum við ekki svo mikið enn og erum því ekki alveg homo sapiens...
Og nú erum við komin að lokum samtalsins um núverandi og framtíðarástand fjarflutningsþróunar. Það verður að viðurkennast að framtíðaráætlanir líta mun áhugaverðari út, sérstaklega þar sem þær eru ekki allar eins langt undan og maður gæti haldið. Það ætti líka að hafa í huga að við getum ekki spáð fyrir um hvernig framtíðin verður í raun og veru. Nútímaheimurinn hefur sannað að stundum verður það sem virtist vera ímyndun fyrir 30 árum að veruleika í dag. Allar ritgerðir (sérstaklega þær sem tengjast fjarflutningi manna) eru byggðar á tiltækum upplýsingum og spám um þróun rannsókna. Þess vegna vonum við að tækni skammtafræðinnar verði fljótlega aðgengilegri og skiljanlegri. Og auðvitað viljum við að þessi bylting eigi sér stað á lífsleiðinni. Mig langar virkilega að sjá hvernig manneskja getur flutt samstundis til Mars eða Alpha Centauri. Draumar, draumar, draumar...
Lestu líka: