Primul fizician care a reuşit teleportarea stării unei particule este un profesor român

 

Românul Sandu Popescu, profesor universitar doctor în fizică, este cunoscut ca unul dintre cercetătorii cei mai activi în domeniul fizicii cuantice.

Între anii 1996 şi 2008, ca asociat al firmei Hewlett Packard, reuşeşte să proiecteze în laboratoarele puse la dispoziţie schema pentru primul experiment de teleportare cuantică.

În anul 2001 este laureat cu premiul Adams Prize pentru cercetările sale în domeniul fizicii cuantice, iar Universitatea din Toronto, Centre for Quantum Information and Quantum Control, îi acordă premiul John Stewart Bell pentru cercetările sale de pionierat în domeniul mecanicii cuantice.

Împreună cu Nicolas Gisin, fizician la Universitatea din Geneva, iniţiază subiectul privitor la alinierea cadrelor de referinţă prin mijloace cuantice. Iniţiază, de asemenea, cercetări privitoare la entanglement multi-partite. (Fenomenul de entanglement se petrece când doi qubiți în superpoziție sunt corelați unul cu altul și funcționează ca un sistem, ceea ce îl face pe unul să reacționeze instantaneu la modificări produse în starea celuilalt. Când un qubit supus acestui fenomen este măsurat, poți deduce proprietățile partenerului său fără să te uiți la acesta. Așadar, starea unuia, fie ea 0, 1 sau ambele, depinde de starea celuilalt.)

Profesorul Sandu Popescu face primele cercetări în zona de spectroscopie iar după ani de experimente, rezultatul spectaculos de teleportare pe care îl studiază are ca aplicaţii practice criptografia şi transmiterea mesajelor secrete.

Redăm în continuare un interviu cu fizicianul de origine română Sandu Popescu, care este profesor la prestigioasa universitate britanică Bristol.

Reporter:
Sunteţi primul fizician din lume care a realizat teleportarea unei particule?

Prof. dr. Sandu Popescu: Aspectul cheie în această metodă de transmitere – şi cauza pentru care metoda se numeşte „teleportare” – este faptul că informaţia despre starea particulei originale pur şi simplu dispare de la original şi reapare la particula destinatară, fără a „merge” în mod normal de la una la alta, ci „sare” dintr-un loc în altul fără a fi niciunde pe drum.

Imediat după lansarea ideii de teleportare a început un efort foarte intensiv pentru realizarea sa experimentală. O mulțime de dificultăţi tehnologice majore era necesar să fie trecute. Eu am reuşit să imaginez o schemă care evita multe dintre dificultăţile cele mai serioase, şi aşa am reuşit să facem prima experienţă de teleportare. Experiența în sine s-a efectuat la Roma, urmând schema teoretică inventată de mine. În experienţa noastră s-a teleportat starea unei particule de lumină pe distanţa de vreo doi metri.

De atunci au avut loc multe experiente de acest gen. La un timp foarte scurt după noi, un grup din Viena a realizat teleportarea cu o schemă diferită, teleportând tot starea unei particule de lumină, cam tot pe aceeaşi distanţă. În prezent, s-a realizat de asemenea şi teleportarea stării unor atomi, dar pe distanţe foarte mici.

Rep.:
Aş dori, vă rog, să dezvoltaţi cât mai mult acest subiect…

Pf. S.P.: Teleportarea poate fi înţeleasă cel mai bine prin comparaţie cu o transmisie prin fax. Într-o transmisie fax transmiţătorul are un document – o hârtie cu un desen. Aparatul de transmisie scanează (citeşte) desenul punct cu punct şi transmite informaţia (care punct e alb şi care e negru) la destinatar folosind o linie telefonică sau unde radio.

Aparatul de recepţie combină informaţia primită cu materie primă pregătită în avans la destinatar – o foaie de hârtie şi cerneală. Ceea ce se transmite prin fax este desenul (adică starea hârtiei originale), nu hârtia cu desenul original în sine, aşa cum ar fi dacă am pune hârtia originală într-un plic şi am transmite-o prin poştă.

În acelaşi mod ne putem imagina un fax tridimensional, prin care se transmite starea unui obiect tridimensional, nu un simplu desen sau text. În acest caz aparatul de transmitere va fi un întreg laborator, cu diverşi senzori care determină forma şi structura chimică a obiectului pe care vrem să-l transmitem (de exemplu, acest computer). Această informaţie se transmite apoi la destinatar prin mijloace obişnuite, ca în cazul unui fax obişnuit – de exemplu, folosind o linie telefonică sau unde radio. La destinatar avem materie primă – bucăţi de plastic, siliciu, sticlă etc. Aparatul de recepţie este un atelier întreg unde pe baza informaţiei primate de la transmiţător se construieşte o replică a obiectului original – un nou computer. Încă o dată, ceea ce s-a transmis este starea obiectului original – forma şi compoziţia sa – nu obiectul în sine, spre deosebire de cazul în care am pune computerul într-o cutie şi l-am trimite prin poştă.

Problema apare atunci când am dori să transmitem cu exactitate starea unor particule microscopice – atomi, molecule, particule sub-atomice etc. Aceasta prezintă o dificultate majoră – nu numai tehnologică dar în primul rând conceptuală: niciodată nu putem afla totul despre ce face o particulă microscopică!

De exemplu, dacă încercăm să aflăm unde se află particula, este nevoie să interacţionăm cu ea – de exemplu, aprindem lumina ca să vedem unde e particula. Lumina – pornind de la bec, se ciocneşte de particulă şi se reflectă spre ochiul nostru.

În cazul unui obiect mare – ca acest computer de pe masa mea – ciocnirea cu lumina nu deranjează obiectul prea mult. În cazul unei particule microscopice însă, această ciocnire are efecte majore, de exemplu, modifică viteza particulei. În consecinţă, nu putem afla atât unde se află o particulă cât şi cu viteză se mişcă ea; îi putem afla poziţia dar nu viteza, sau viteza dar nu poziţia. Toate acestea par să spună că este imposibil de a transmite prin fax starea unei particule microscopice – pur şi simplu niciun aparat nu poate afla ce face particula, deci nu putem avea niciodată suficientă informaţie pentru a o transmite destinatarului aşa încât acesta să-şi poată prepara o particulă în aceeaşi stare ca particula originală.

Soluţia, descoperită în 1993 de câţiva prieteni de-ai mei, se bazează pe un alt efect neobişnuit caracteristic particulelor microscopice: corelaţiile ne-locale. Se teleportează practic starea unei particule, nu particula în sine. Două particule care au fost odată una lângă alta şi au interacţionat iar apoi au fost separate, rămân într-un fel legate una cu alta chiar dacă distanţa dintre ele este acum enormă. Dacă facem ceva cu una dintre ele, cealaltă simte imediat.

Ne putem acum folosi de două astfel de particule – să le numim particule ajutătoare – pentru a transmite starea particulei originale. Una dintre aceste particule ajutătoare se pune în aparatul de transmisie, iar cealaltă în aparatul de recepţie. Particula a cărei stări dorim să o transmitem se pune în interacţiune cu particula ajutătoare din transmiţător iar particula ajutătoare din receptor, care este în contact (la distanţă) cu particula ajutătoare din transmiţător, imediat preia starea particulei originale.

Rep.:
Ce a însemnat premiul John Stewart Bell pentru dv. şi care a fost motivarea atribuirii?

Pf. S.P.: Premiul John Stewart Bell este cel mai important premiu specializat pentru cercetarea în aspectele fundamentale ale fizicii. Este un premiu relativ nou instituit şi eu am primit primul premiu acordat pentru fizică teoretică (înaintea mea premiul s-a acordat pentru fizica experimentală). Evident m-am bucurat enorm.
Conform comunicatului oficial de presă, premiul a fost acordat pentru „majorele sale contribuţii la mecanica cuantică”. Mai precis pentru descoperirea conceptului de corelaţii nelocale mai puternice decât cele cuantice şi pentru rezultate legate de aplicarea mecanicii cuantice în termodinamică.

Rep.:
Sunteţi un profesor deosebit de apreciat în Marea Britanie. Cum vi se par britanicii, de la profesori, până la omul de rând?

Pf. S.P.: Eu mă simt foarte bine integrat în Marea Britanie. Oamenii sunt foarte prietenoşi şi primitori şi pot să spun că mă simt aici ca acasă.

Rep.:
Fizica merge dincolo de filosofie? Este o regină a ştiinţelor?

Pf. S.P.: Fizica este o ştiinţă privilegiată – se referă la legile de bază ale naturii. Toate celelalte ştiinţe se folosesc de rezultatele produse de fizică. Faptul că fizica se ocupă de legile de bază ale naturii o face extrem de fascinantă – o adevărată aventură a spiritului uman.

Este necesar să-ţi placă ceea ce faci, ca să faci ceva deosebit

Rep.:
Ce planuri de viitor aveţi, ce sfaturi daţi românilor, tinerilor cercetători din România?

Pf. S.P.: Niciodată nu îmi fac planuri de viitor, cel puţin referitor la muncă. Mă bucur foarte mult de ceea ce fac – în fiecare zi simt că mă joc, nu că muncesc. Nu îmi propun niciodată să studiez un subiect anumit. Am multe idei în minte şi în fiecare zi mă gândesc la orice se petrece să-mi atragă atenţia în momentul respectiv. Poate că explic ceva studenţilor mei, poate că vorbesc cu un coleg, sau poate că îmi vine o idee din senin. Dacă găsesc ceva interesant, mă opresc şi mă gândesc cu atenție.

Multe zile nu fac absolut nimic – dar când îmi vine o idee interesantă mă gândesc la ea zi şi noapte. Munca de cercetare ştiinţifică este de fapt foarte diferită de ceea ce mulţi oameni îşi imaginează. Mulți oameni cred că cercetarea este o muncă foarte precisă şi ordonată. Nimic nu poate fi mai departe de adevăr. Cercetarea adevărată este un act creativ, foarte asemănător cu creaţia artistică şi mulţi oameni de ştiinţă se aseamănă destul de mult cu artiştii, folosindu-se de intuiție şi având multe perioade creatoare, cât şi multe perioade moarte.

Atâta tot că este, aşa cum spunea celebrul fizician Richard Feynman, imaginaţie încătuşată într-o cămaşă de forţă – nu avem dreptul să ne imaginăm că totul este posibil, ci este necesar să respectăm ceea ce s-a dovedit deja în mod experimental că este adevărat.

După părerea mea cel mai important aspect în muncă – atât în cercetare, cât şi în orice alt domeniu, este să-ţi placă ceea ce faci. Doar atunci poţi lucra bine şi poţi avea rezultate.

Rep.:
Cum consideraţi dvs. că a fost şcoala (pe vremea dvs.) şi cum e astăzi în România? Pe ce ar fi necesar să se pună accentul, ce ar fi bine să se transforme?

Pf. S.P.: Din câte îmi aduc aminte, şcoala a fost deosebit de bună. Bineînţeles, nu se poate vorbi de un sistem perfect – din nefericire nu am văzut nicăieri în lume un sistem educaţional perfect – dar foarte multe aspecte au fost foarte bune.

Manualele de matematică şi fizică de liceu au fost foarte bune – cele de chimie şi biologie mai puţin. De asemenea, mi-a plăcut sistemul pe ansamblu – cred că am avut posibilitatea să primesc o cultură generală foarte bună. La universitate primii trei ani au fost excelenţi – s-a predat mult mai bine decât în majoritatea universităţilor din Anglia. În acești ani s-au predat bazele fizicii. Am fost impresionat cât de structurată a fost programa de învăţământ – ce învăţam la un curs se folosea imediat la cursul următor, şi niciodată nu s-a petrecut să se folosească la un curs metode matematice care nu ni s-au predat înainte. Din păcate sistemul universitar englez nu este atât de organizat! Anii patru şi cinci au fost însă mult mai slabi. Aceştia au fost anii în care trebuia să ni se predea elemente mai moderne de fizică, dar, cu puține excepţii, nu au fost la înălţime. Aici sistemul englez depăşeşte cu mult ce am învăţat noi şi se ridică la unul dintre cele mai înalte niveluri din lume.

Aş mai dori să spun că am avut câțiva profesori ieşiţi din comun, atât la liceu cât şi la universitate ,care m-au inspirat şi pe care îi respect şi îndrăgesc şi acum. Despre şcoala din România de astăzi nu ştiu ce să spun, deoarece nu ştiu ce se petrece acolo. Am auzit, bineînțeles, multe poveşti – unele bune şi unele rele – dar ca să îmi pot da o părere ar fi necesar să studiez cu mult mai multă atenţie faptele.

Rep.:
Nu vă e dor de Oradea, de România, mai aveţi legături cu ţara?

Pf. S.P.: Evident că mi-e dor, dar din fericire am destul timp liber să pot veni în vizită. Mama locuieşte şi acum în Oradea şi eu o vizitez cam de trei ori pe an, rămânând la ea peste o lună în total în timpul vacanţelor. Atunci când sunt în Oradea mă simt atât de bine şi atât de integrat, de parcă nu aș fi plecat niciodată de acasă.

Rep.:
Teleportarea e realizarea dvs. cea mai importantă?

Pf. S.P.: Din punctul meu de vedere inventarea acestei scheme de teleportare nu este nici pe departe lucrarea mea cea mai importantă (deşi este evident cea mai cunoscută în mass-media). Mult mai interesante sunt rezultatele legate de înţelegerea fundamentală a fenomenului de ne-localitate cuantică şi cele legate de fundamentele mecanicii statistice; acestea au constituit şi motivul pentru acordarea premiului John Stewart Bell (numit după descoperitorul ne-localităţii).

Rep.:
Un proaspăt absolvent de universitate român ce şanse are să se realizeze în Marea Britanie? Ce poate face pentru a ajunge ca dvs., profesor, eventual de şcoală gimnazială britanică?

Pf. S.P.: Bineînțeles nimeni nu poate răspunde la o astfel de întrebare! Şansele pe care le avem în viaţă depind enorm de noi, de cât de mult ne dorim ceva, de câtă muncă depunem pentru ca să ne atingem ţelul şi câte sacrificii suntem dispuşi să facem pentru a ajunge acolo. Despre teleportare, m-am străduit cât am putut să fac să fie cât mai clar. Bineînţeles, nu se poate explica totul, deoarece aceasta ar necesita înţelegerea fizicii cuantice, dar sper că am reuşit măcar să fac înţelese anumite aspecte – măcar să se ştie CE SE petrece, deşi nu se poate explica DE CE se petrece ce se petrece.

*****

Mecanica cuantică este o teorie fizică care descrie comportamentul materiei la nivelul atomic şi subatomic, fenomene pe care fizica newtoniană şi electromagnetismul clasic nu le pot explica. Mecanica cuantică este unul dintre pilonii fizicii moderne şi formează baza pentru multe dintre domeniile sale, cum ar fi fizica atomică, fizica stării solide şi fizica nucleară, cât şi fizica particulelor elementare, dar şi ramuri înrudite, cum ar fi chimia cuantică.

Informaţii făcute publice de importanţi fizicieni ai lumii arată faptul că teleportarea informaţiei cuantice, modelarea fizică, teleportarea unei stări cuantice înseamnă transferul complet al informaţiei de la o particulă la alta, independent de realizarea fizică a fiecărui qubit (fizic) pe care dorim să-l transmitem, reprezentând cea mai spectaculoasă formă de transmisie a informaţiei din natură. Teleportarea depinde crucial de doi factori: entanglementul şi analiza stărilor Bell. Împreună cu profesorul Sandu Popescu am înţeles cum poate o măsurătoare efectuată asupra unei particule din sistem să influenţeze instantaneu starea altei particule dintr-o pereche (EPR) aflată la distanţă. Această proprietate a fost demonstrată experimental şi aplicată la teleportare.

Aplicaţii ale teleportării se întrevăd în domeniul comunicaţiilor, transmisia cuantică a informaţiei are aplicaţii în curs de implementare tehnologică. Cea mai avansată aplicaţie o reprezintă distribuţia cuantică a cheilor (QKD – quantum key distribution). Cheile criptografice utilizate în prezent nu sunt 100% sigure. Tehnologiile bazate pe teleportare se aplică cu succes în criptologie deoarece în cazul interceptării informaţiei de către un intrus, mesajul este instantaneu distrus.

Primul experiment de teleportare cuantică din lume este cel al românului Sandu Popescu. Pentru că centrul de interes al studiilor sale îl reprezintă aspectele fundamentale ale fizicii cuantice, el a reuşit o mai bună înţelegere a naturii comportamentului cuantic. Realizările sale şi ale echipei de cercetare din care a făcut parte au contribuit la proiectarea calculatorului cuantic.

Fizicianul Raymond Laflamme, director la  Institute for Quantum Computing (IQC) şi profesor la  Departamentul de Fizică şi Astronomie din Cadrul Universităţii din Waterloo, afirmă că teleportarea reprezintă un pas important în realizarea calculatoarelor cuantice. Realizarea pe scară largă a calculatoarelor cuantice va face posibilă rezolvarea unor probleme mult mai rapid decât permit calculatoarele clasice. Cu ajutorul unui calculator cuantic se poate realiza într-o săptămână ceea ce un computer obişnuit face în 1000 de ani, deci calculatorul cuantic este de 52.000 de ori mai puternic decât cel clasic. Aşa se explică de ce numeroase agenţii guvernamentale şi militare din lume alocă fonduri uriaşe pentru realizarea şi folosirea calculatoarelor cuantice, pentru scopuri civile şi de apărare.

Revenind la subiectul nostru, din discuţiile cu profesorul Sandu Popescu tragem următoarele concluzii:
1. Prin teleportare nu se copiază qubiţii, în concordanţă cu teorema no cloning. Starea iniţială este distrusă.
2. Teleportarea nu implică transfer de substanţă sau energie. Particula sursă nu s-a deplasat fizic în poziţia particulei ţintă. Numai starea sa a fost transferată.
3. Teleportarea stării se face fără ca particulele implicate la emisie şi recepţie „să cunoască” această stare.
4. Teleportarea este în deplină concordanţă cu indiscernabilitatea particulelor cuantice.
5. Teleportarea nu se face cu viteză mai mare decât viteza luminii.
6. Teleportarea asigură securizarea informaţiei teleportate. O interceptare a biţilor pe canalul clasic nu este suficientă pentru recuperarea stării teleportate.
7. O alternativă complet echivalentă la protocolul prezentat pentru descrierea teleportării o reprezintă utilizarea porţilor cuantice, care permit schimbarea bazei de la forma standard în baza Bell.

Citiţi şi:

Uimitori români contemporani, înzestrați cu o excepțională creativitate, inventivitate și sclipiri de geniu

Nimic nu este solid, totul este energie – oamenii de ştiinţă explică fizica cuantică

Deplasarea instantanee în spaţiu este perfect posibilă. Cazuri uluitoare de teleportare

 

yogaesoteric
2 iunie 2020