Holografia teleportacji czy teleportacja holografii?

Dzisiaj na Twitterze wywiązała się dyskusja na temat tego czy holografia jest zjawiskiem pokrewnym teleportacji czy są to dwie różne rzeczy. Pojawiło się kilka ciekawych pytań, na które nie miałem czasu wtedy należycie odpowiedzieć co obiecałem uczynić później.

Jeśli chcemy poznać odpowiedź na pytanie czy trójwymiarowy hologram może być postrzegany jako coś „w pół drogi do teleportacji” trzeba choć pokrótce wyjaśnić na czym oba te zjawiska polegają. Dla niecierpliwych zaś można powiedzieć już teraz, że obie dziedziny są bardzo różne i choć obie dotykają fizyki kwantowej to jednak na tym większość podobieństw się kończy.

Teleportacja

Pierwszą rzeczą jaką należy powiedzieć o teleportacji jest fakt, że to co serwuje nam popkultura znacząco różni się od tego, co może zaproponować nauka. Teleportacja znana ze Star Treka to właściwie fizyczne przenoszenie obiektów z punktu A do punktu B z pominięciem drogi pomiędzy tymi punktami. Trzeba także zauważyć, że tego rodzaju „środek lokomocji” może przenosić obiekty makroskopowe w tym organizmy żywe. Wizje artystyczne ukazujące teleportację na ogół skupiają się wokół jednej konwencji: jest magiczna szafa, jakiś delikwent do niej wchodzi, następnie wychodzi z drugiej, odbiorczej magicznej szafy, niemalże w tym samym momencie. Kluczowa jest tu owa szafa, która miałaby badać dokładnie stan kwantowy każdej cząstki przenoszonego obiektu oraz jej położenie oraz pęd i parametry te przenosić na atomy docelowe co wiąże się ze złamaniem zasady nieoznaczoności Heisenberga. Zasada ta mówi, że nigdy nie można uzyskać pełnej informacji o cząstce, tj. jeśli znamy jej położenie nie znamy jej pędu i na odwrót. Dodatkowo sama teleportacja ma często w popkulturze charakter fizycznego przenoszenia atomów, które np. zamieniane są w energię, przesyłaną do punktu docelowego i w punkcie tym jest znów konwertowaną w materię. Łamie to kilka praw fizyki (link do prezentacji, zasoby Uniwersytetu Warszawskiego), ewentualnie trzeba by do tego procesu konwersji materii w energię użyć antymaterii, zaś konwersja energii do materii o ile jest kwestią badaną to jest zagadnieniem znacznie trudniejszym niż proces odwrotny.

Co zaś ma nam do zaoferowania nauka? Znacznie mniej spektakularne, lecz niekoniecznie mniej ciekawe rzeczy. Po pierwsze: teleportacja jest to proces, w którym stan danego układu kwantowego jest przenoszony w dowolne inne miejsce bez udziału fizycznego medium (za publikacją Max Planck Society). Jak można przeczytać w pracy doktorskiej pana Grzegorza Chimczaka jeśli posiadamy dwie splątane kwantowo cząstki to w stosunkowo prosty sposób można zmieniając stan jednej z tych cząstek zmienić stan drugiej. Jednak aby nie łamać szczególnej teorii względności Einsteina nie możemy znać stanu kwantowego teleportowanych cząstek, tak więc nie przesyłamy tą drogą żadnej informacji. Jest to bardzo znaczące ze względu na fakt, że wg Szczególnej Teorii Względności Einsteina żadna informacja nie może rozchodzić się z prędkością większą niż prędkość światła w próżni. Trochę to zagmatwane więc podsumuję: mając dwie splątane cząstki w stosunkowo prosty sposób można zmienić stan kwantowy  jednej zmieniając stan kwantowy drugiej bez żadnego opóźnienia, jednak aby tego dokonać nie można znać stanu żadnej z tych cząstek.

O co więc chodzi z tą teleportacją? Jak w ogóle można stwierdzić, że ma ona miejsce? Tu zaczyna się jazda bez trzymanki. Otóż potrzeba dodatkowej informacji przesyłanej klasycznymi metodami aby zweryfikować i ewentualnie skorygować stan docelowej cząstki. Metoda jest skomplikowana i wymaga udziału w całym procesie więcej niż dwóch cząstek. Cała procedura wygląda mniej więcej tak (oczywiście mocno upraszczając):
1. Wprowadzamy cząstkę A (nazwijmy ją „roboczą”) w stan splątania z cząstką B (będącą cząstką, do której chcemy przeteleportować stan cząstki źródłowej); cząstkę źródłową O trzymamy na razie „na boku”
2. Za pomocą cząstki A odczytujemy stan cząstki O. W tym momencie stan cząstki B ulega zmianie i cząstki A oraz B wychodzą ze stanu splątania. Cząstki A i O wchodzą w stan splątania a cząstka B ma stan „podobny” do cząstki A. Aby ten proces był użyteczny wykorzystuje się pewne tożsamości kwantowe (jednak nie będę ich tu przytaczał, gdyż nie jest to opracowanie naukowe).
3. Klasycznymi metodami przesyła się informację o stanie cząstki A do cząstki B, gdzie następuje korekta jej stanu (jeśli jest ona potrzebna). Ponieważ każdy pomiar stanu kwantowego cząstki zmienia ten stan, cząstka A w tym kroku zmienia swój stan na nieokreślony – stąd mamy do czynienia z teleportacją, a nie kopiowaniem stanów. Oczywiście cząstka O też traci swój stan w ciągu całego procesu (w wyniku oddziaływania z cząstką A).

Tak więc: nie, teleportacja nie łamie praw fizyki i jest procesem możliwym do realizacji i już niejednokrotnie realizowanym (na fotonach, a nawet grupach atomów – tu znów można zajrzeć na podaną wcześniej stronę Max Planck Society) jednak różni się ona dość mocno od popkulturowej wersji.

Holografia

Holografia jest zagadnieniem (przynajmniej dla mnie) nieco bardziej przyjaznym w odbiorze. Hologram jest to odwzorowanie świetlne danego obiektu w przestrzeni trójwymiarowej. Aby stworzyć hologram potrzeba nam nie tylko informacji o natężeniu światła odbitego od obiektu lecz także o tym jaką to światło przebyło drogę. Żeby to osiągnąć należy zmierzyć nie tylko amplitudę (odpowiadającą natężeniu) światła odbitego od danego obiektu lecz także jego fazę (która z kolei mówi nam o przebytej przez to światło drodze).

Ponieważ zagadnienia amplitudy i fazy fali świetlnej są kluczowe dla zrozumienia czym jest hologram postaram się to pokrótce wyjaśnić. Falę świetlną można sobie wyobrazić jako falę sinusoidalną (co jest pewnym uproszczeniem, ponieważ jest to tak naprawdę złożenie dwóch fal: elektrycznej i magnetycznej). Falę sinusoidalną znamy dość dobrze z liceum i wygląda ona w następujący sposób:

Wykres ze strony I LO w Tarnowie
Wykres ze strony I LO w Tarnowie

Na tym wykresie wielkość A jest amplitudą fali zaś poprzez Φ oznaczono przesunięcie fazowe, a więc naszą tajemniczą fazę. Dodatkowo T jest okresem (długością) fali, a wielkość 1/T to częstotliwość.

Można więc sobie wyobrazić, że jeśli dwie fale o jednakowej częstotliwości przesuniemy względem siebie o 1/2 T to będą one przeciwne w fazie, co oznacza, że w miejscu „górki” jednej z nich znajdzie się „dołek” drugiej. Jednocześnie obowiązuje zasada, że światło o jednakowej długości fali „dodaje się”. Tak więc, jeśli mamy dwie fale świetlne przeciwne w fazie i o jednakowej amplitudzie to dość prosty wydaje się wniosek, że wzajemnie się one wygaszą („górka” zasypie „dołek”). Jeśli zaś obie fale będą zgodne w fazie („górka” na „górce” i „dołek” na „dołku”) to amplituda wzrośnie dwukrotnie („dołki” się pogłębią, „górki” podwyższą). Zjawisko to nazywa się interferencją. Przedstawiłem je, gdyż jest ono kluczowe dla holografii.

Aby uzyskać hologram potrzebne jest światło lasera, które następnie jest dzielone na dwie wiązki: wiązkę odniesienia, która pada bezpośrednio na nośnik, na którym hologram ma być zapisany oraz wiązkę roboczą, która odbija się od obiektu którego hologram ma być zapisywany, dopiero potem zaś pada na nośnik. Tak podzielone wiązki początkowo są zgodne w fazie (co wynika ze spójności promieniowania laserowego) jednak wiązka robocza pokonuje inną drogę niż wiązka odniesienia. Różnica tej drogi powoduje przesunięcie w fazie promieniowania obu wiązek (można sobie wyobrazić, że „oba sinusy fizycznie się względem siebie przesuwają”). W skutek tego zjawiska na nośniku następuje interferencja fal, co powoduje powstanie wzorów. Wzory te są utrwalane ponieważ nośnik jest światłoczuły (może to być np. klisza fotograficzna). Następnie wystarczy „przepuścić” promieniowanie lasera o takiej samej długości fali poprzez nasz nośnik otrzymując hologram (następuje proces niejako odwrotny do zapisu). (Jeśli ktoś chciałby sobie to lepiej zobrazować to polecam obrazki na 15. i 16. stronie tego pdf-a)

Podsumowanie

Jeśli więc porównamy obydwa omówione przeze mnie zjawiska możemy dojść do następujących wniosków:

  • Teleportacja przenosi stan układu kwantowego na inny układ, układ źródłowy traci ten stan wraz z chwilą teleportacji
  • Holografia jest jedynie odwzorowaniem wyglądu danego obiektu, nic nie stoi na przeszkodzie, aby obiekt będący „holografowany” dalej istniał w niezmienionym stanie
  • Podczas teleportacji przenosimy własności jednego układu na drugi, podczas gdy w holografii tworzymy jedynie pewien zapis obiektu

Można więc powiedzieć, że holografia do teleportacji ma się niewiele inaczej niż fotografia do teleportacji. Nawet zakładając bardziej technicznie zaawansowane rozwiązania, gdzie istniałaby możliwość „holokonferencji” dalej łatwiej byłoby porównywać ją do wideokonferencji niż teleportacji.

Mam nadzieję, że możliwie jasno przedstawiłem problemy poruszane w tej notce, jednocześnie pragnę też zastrzec, że nie mam się za eksperta w dziedzinie fizyki kwantowej (znacznie bliższa jest mi fotonika i optyka), więc mogły się w tą notkę wkraść pewne błędy. Jeśli ktoś jakieś znajdzie to będę bardzo wdzięczny za feedback.

Jestem także na Facebooku i Twitterze. Jeśli podobał Ci się ten tekst, to zalajkuj, a będziesz na bieżąco informowany o nowych.