A kvantumösszefonódás jelenségét Albert Einstein rendkívül valószínűtlen fizikai teóriának tartotta, ezt nyilvánvalóvá is tette az általa megalkotott, híres "kísérteties távolhatás" elnevezéssel, amellyel ezt a titokzatos jelenséget jellemezte.

"Lehet teljesnek tekinteni a fizikai valóság kvantummechanikai leírását?"

- tette fel a kérdést még az első kvantumforradalom hajnala előtt Borisz Podolszkijjal és Nathan Rosennel közös tanulmányában, amelyben a részecskék alapvetően összetartozó, vagyis a kvantumösszefonódás állapotában lévő létezésének szokatlan mivoltát boncolgatták és rávilágítottak, hogy ennek az állapotnak a léte nehezen összeegyeztethető a relativitáselmélet egyes tételeiben megfogalmazott fizikai szabályszerűségekkel. A kísérteties távolhatás azonban a gyakorlatban megvalósuló kísérletek során sokszor nyert bizonyítást az elmúlt évtizedekben és az összefonódás nagyon is valódi jelenségét egyre jobban kiismerik a kutatók.

Az összefonódás állapotának valószínűtlen és nehezen érthető jellegét az adja, hogy ebben az állapotban a párba álló részecskéket lényegében bármilyen messzi távolság elválaszthatja egymástól fizikailag, az állapotukat tekintve megkülönbözhetetlenné válnak és az egyikük helyzete a másikat is tökéletesen leírja. Ha két kvantumosan összefonódott részecske egyikének értékeit megmérik a kutatók, a másikról is információkat kapnak, bár a mérés egyúttal meg is szakítja az összefonódásukat a kvantumállapotok érzékenysége miatt. A kvantumteleportálás ezzel összefüggő jelenség: ha az összefonódott kvantumbitek közül az egyiket akár optikai kábeleken, akár más módon átküldik egy másik helyszínre, az általa hordozott információ is "teleportál" vele együtt, tehát villámsebességgel megjelenik a távolban, ahol a detektor máris ki is tudja olvasni az értékeit.

Az általánosan elfogadott meghatározás szerint a világ már belépett nem csak az első, hanem a második kvantumforradalom korába és a kvantumfizikai jelenségek gyakorlati alkalmazása és a kvantumrendszerek hatékonyságának kiaknázása egyre nagyobb teret és figyelmet nyer, a kvantumösszefonódás és - teleportálás a hatalmas fejlődés ellenére azonban még mindig rejtélyes folyamatokat jelentenek, amelyeknek számos felhasználási módját még csak most kezdik konkrét formában is használni a kutatók, akik a kísérletek során egyre távolabb és távolabb juttatják a fotonokat a kábeleken és szabadtéren egyaránt. De mi a legmesszebbi távolság, amit át lehet hidalni a kvantumteleportáció segítségével?

A kérdésre Jaime Calderón-Figueroa és Arjun Berera, az Edinburghi Egyetem két fizikusa kereste a választ, és az általuk alkotott elméletről legutóbb június végén publikált tanulmányban számoltak be: a teóriájuk szerint, amiről korában már több alkalommal jelentettek meg beszámolókat, a röntgensugárzási tartományban messzire küldött fotonok akár csillagközi, sőt, galaxisok közötti kommunikációra is alkalmasak lehetnek. A képlet azonban nem egyszerű: a csillagközi tér sajátosságai ugyanis tönkretehetik a jelet és megszakíthatják a kvantumfolyamatot. A kutatók éppen ezért azt is igyekeztek feltérképezni, hogy milyen faktorok játszhatnak szerepet a dekoherencia (az összefonódás megzavarása és összeomlása) tekintében és vajon az égitestek gravitációs ereje végzetes hatással bírhat-e a kommunikáció létesítésére.

A kutatók szerint a hatásos csillagközi csatorna biztosításának (csakúgy, mint a földinek) kulcsfontosságú aspektusa a fotonok zavartalansága, ami a Föld légkörének sok-sok befolyásoló tényezőt tartalmazó környezetéhez képest egészen csendes és nyugalmas helyszín: az űr részecskesűrűsége például sokkal alacsonyabb - John D. Cutnell és Kenneth Johnson fizikusok becslése alapján szerint átlagban öt atom jut egy köbcentiméternyi területre a Naprendszerben, míg a csillagközi térben egy atom egy/köbcentiméter az anyagsűrűség. Calderón-Figueroa és Berera számításai szerint az univerzum tágulása és a kozmikus mikrohullámú háttersugárzás nem szakítja meg a koherenciát, de az ultrahosszú távolságok megtétele során más problémákkal is szembesülhetnek az összefonódott részecskék.

A fizikusok következtetései szerint viszont ezek a tényezők valójában nem állítanak legyőzhetetlen akadályt a fotonok által közvetített információ útjába sem a koherencia, sem az úgynevezett teleportációs hűség (a kapott információ hitelessége/pontossága) szempontjából, bár azt nem állítják, hogy ne merülhetnének fel a jel pontosságát gyengítő faktorok. Mivel azonban dekoherencia nem következik be, a hűség vesztesége esetén is ki lehetne következtetni, hogy a kapott jel valamilyen strukturált kvantumkommunikációt tartalmaz.

"Továbbá ugyanazon frekvenciájú fotonok ugyanazt a hűség veszteséget tapasztalnák meg.

Ha valaki ki tudná következtetni a jel kiindulási pontját, és a gravitációs mezőket, amelyek a fotonokra hatottak az útjuk során, akkor ki tudná számítani a hűségben történt változásokat, ezért elméletben vissza tudná állítani a fáziseltolódást az eredeti értékre." - írják a kutatók. Így, némi próbálkozás segítségével lehetséges lenne megérteni a kvantumkommunikációs üzenetet.

A fizikusok elképzelése szerint ebből kiindulva akár az is feltételezhető, hogy egy idegen létforma ezzel a módszerrel próbálna meg nagy távolságokba információt eljuttatni, de az is igaz, hogy egy olyan fejlettségi szinten álló civilizáció, amelynek tagjai ezzel a fajta kommunikációval kísérleteznek, megértik a módszer határait is: például azt, hogy a biztos siker érdekében (tekintve a kvantumos alkalmazás bizonytalanságait) a küldő félnek egymás után sokszor kell elküldenie ugyanazt a jelet. Ahhoz pedig, hogy bonyolultabb üzenetek is érkezhessenek a távoli galaxisokon át, a kvantumösszefonódás és - teleportálás komplexebb formáira van szükség, mint amit jelenleg a Földön általában alkalmaznak: többek között többdimenziós összefonódott állapotokra és több kvantumbit bevonására a folyamatba, az üzenet megfejtéséhez pedig megfelelő kvantumszámítógépekre.

"A kvantumkommunikációt szélesebb körben vizsgálva, feltehetjük a kérdést, hogy miért élvezne elsőbbséget egy földönkívüli kvantumteleportált jel bármilyen klasszikus megoldással vagy kvantumkommunikációs protokollal szemben.

Az ok olyan egyszerű is lehet, mint hogy ez a rendelkezésre álló technológia és egy idejétmúlt rádiókommunikációs berendezés fejlesztése kevésbé hozzáférhető opció. A másik ok a kvantumteleportáció mellett más kvantumkommunikációs módokkal szemben, hogy ez két összefüggő jel formájában érkezne és jobb jelet biztosítana a detektáláshoz."

A konklúzió szerint tehát a módszer, pontosabban az univerzálisan felismerhető Bell-állapot, jó alapot jelenthetne egy fejlettebb civilizáció számára ahhoz, hogy megpróbáljanak első ízben kontaktust létesíteni távoli, ismeretlen szomszédaikkal. Ha ez a végkövetkezetés távolra is vezet a jelenleg a gyakorlatban alkalmazott kvantumkommunikációs megoldások céljaitól, ami sokkal inkább itt, a Földön megvalósított hálózatok létrehozását jelenti, a kvantumösszefonódás és -teleportáció kutatása hozzájárulhat a különös jelenség pontosabb feltérképezéséhez is.

(Fotó: NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA, Pixabay/sergeitokmakov, Getty Images/Alexandr Gnezdilov Light Painting)

Kiszámolták, hogy a legrosszabb esetben mennyi idő, hogy kapcsolatba lépjünk egy idegen civilizációval A kutatók egy optimista és egy pesszimista forgatókönyvet dolgoztak ki – az egyik szerint relatíve keveset, míg a másik szerint jó sokat kell várnunk a kapcsolatfelvételig. A cikkből kiderülnek a pontos számok.