„Við höfum lagt nótt við nýtan dag til að ná þessum undraverðu niðurstöðum.” Eugene Polzik, prófessor við Niels Bohr-stofnunina við Háskóla Kaupmannahafnar.

Í raunveruleikanum er ógjörningur að stökkva inn í fjarflutningstæki í Evrópu og stíga út í Ástralíu, en í heimi atómanna, sem stýrast af lögmálum skammtafræðinnar, geta eðlisfræðingar beitt ýmsum brögðum. Vissulega geta þeir ekki sent hlutlæg fyrirbæri, eins og atóm, langt burt í tíma og rúmi með fjarflutningi, en þeir geta eyðilagt ljósgeisla á einum stað og fengið sanna eftirmynd af geislanum til að koma fram annars staðar – með því að fjarflytja skammtafræðilega eiginleika upprunalega geislans í hinn nýja.

Nýlega hefur hópur danskra og þýskra fræðimanna í fyrsta sinn sýnt fram á að ljós getur einnig fjarflutt skammtakóðaðar upplýsingar inn í gas atóma. Tilraunir þessar geta rutt brautina að byltingarkenndum skammtatölvum, sem verða til að ofurtölvur nútímans munu líkjast einna helst fábrotnum vasareiknum þegar kemur að flóknustu útreikningum er finnast.

Rétt eins og venjuleg heimilistölva þarf skammtatölva bæði að búa yfir gagnagrunni og leiðum til að senda upplýsingar milli eininga. Atóm eru rökrétt val fyrir minni skammtatölva, því atómin geta varðveitt skammtagögn mun lengur en ljós – hins vegar er ljós afar heppilegt fyrir lestur á gögnum úr lager atómanna.

Það að fræðimönnum hefur nú tekist að fjarflytja upplýsingar frá ljósi til atóma, hefur orðið til þess að draumsýnin um að þróa skammtatölvu hefur tekið stórt stökk. Næsta skref er að sanna að einnig sé mögulegt að yfirfæra skammtagögn frá atómum til ljóss og aftur til atóma, svo fræðimenn geti notað ljósgeisla til að samtengja gögn fleiri atóma í einni skammtatölvu.

Leysigeislar afrita gögn

Ástæða þess að mögulegt er að fjarflytja upplýsingar í skammtaheiminum, byggir á undarlegu fyrirbæri er kallast „entanglement“, sem þýðir eiginlega „samflækja” og felur í sér að tvö skammtakerfi sem hafa eitt sinn tengst, halda því áfram þrátt fyrir að kerfin greinist í sundur svo langt hvort frá öðru í tíma og rúmi að engin leið er til að þau geti átt innbyrðis samskipti, ekki einu sinni með hraða ljóssins. Samkvæmt lögmálum eðlisfræðinnar er unnt að framkalla tvo samflækta ljósgeisla með því að senda leysigeisla gegnum ólínulegan kristal, sem skiptir geislanum í tvennt. Ljósgeislarnir mynda hvor fyrir sig sitt rafsegulsvið, sem segir þó ekkert um upprunalega ljósgeislann. En upplýsingarnar í hinum skipulega geisla má auðveldlega ná með því að sameina geislana aftur.

Eugene Paulzik og samstarfsmenn hans nýttu sér einmitt þetta fyrirbæri á árinu 1998 til að fjarflytja skammtaupplýsingar frá einum leysiljósgeisla til annars. Við fyrstu sýn gæti maður ekki ætlað að þetta væri mögulegt, því samkvæmt lögmálum eðlisfræðinnar er ógjörningur að mæla eða fjölfalda skammtaástand ljóseindar án þess að eyðileggja það. Eðlisfræðingarnir leystu vandamálið með því að nota þriðja ljósgeislann, sem inniheldur þær skammtaupplýsingar er átti að fjarflytja. Þessum kóðaða geisla var blandað saman við annan af hinum tveimur geislunum úr samflækta parinu. Þessu næst gátu eðlisfræðingarnir mælt eiginleika blandaða geislans án þess að ákvarða skammtaupplýsingar í hinum kóðaða geisla. Með þessum hætti komust þeir hjá því að eyðileggja upplýsingarnar. Niðurstöðunum var nú blandað með öðrum samflæktum geisla, og þar sem þessir tveir samflæktu geislar mögnuðu hvor annan, er endanleg niðurstaða trúverðug eftirmynd af hinum upprunalega skammtakóðaða geisla.

Skammtabæti rýmir bæði núll og einn

Tilraunin sýndi að skammtaupplýsingar má flytja frá ljósi til ljóss, og þessa staðreynd má nýta í örskjóta gagnafærslu í skammtatölvum. En ljóseindir sem hreyfast með 300 þúsund kílómetra hraða á sekúndu eru óheppilegar sem minni. Þess vegna hafa fræðimenn um langa hríð unnið hörðum höndum að því að fjarflytja skammtagögn frá ljósi inn í atóm – því atóm eru mun betri en ljós við að varðveita skammtaástand og þannig einnig geyma upplýsingar. Skammtaástand atóma, t.d. hið svonefnda spinn þeirra, má bæði nota til varðveislu gagna í skammtatölvu sem og til útreikninga. Spinn er tjáning á snúningi atómanna og svo fremi það sé ekki mælt getur atóm bæði haft til að bera spinn upp á við og niður á við, sem samsvarar til snúnings réttsælis og rangsælis á sama tíma. Þetta undarlega fyrirbæri er nefnt „superposition“ og gerir skammtatölvum kleift að hýsa bæði 0 og töluna 1 í sama skammtabæti. Viðvera „superposition“ krefst fræðilega aðgerðar einangrunar atómanna í minninu, því sérhver gagnverkun við umhverfið svarar til mælingar sem ákvarðar skammtaástandið. Þetta er óæskilegt því skammtatölvan öðlast einmitt ógnarlega reiknigetu sína fyrir það að skammtaástand er ekki skilgreint.

Atóm sem harður diskur

Fjölmargir hópar vísindamanna hafa sýnt fram á að unnt er að halda atómum í „superposition“ með því að einangra einstök atóm í segulsviði, svo komist er hjá víxlverkunum við umhverfið. En Eugene Polzik og samstarfsfélagar hans völdu aðra aðferð. Nefnilega að koma fyrir gasi með milljörðum af sesíumatómum í segulsviðinu. Með þessu móti skiptir ekki máli þó atómin verki saman við ílátið því skammtaástandið í öllum atómunum eyðileggst ekki. Í tilrauninni var skammtakóðað ljós fjarflutt inn í ílát sem innihélt marga milljarði sesíumatóma. Áður en kom að sjálfri tilrauninni var ílátið sett í segulsvið sem kom skipan á spinni atómanna þannig að þau snérust öll með sömu tíðni – þá var nefnilega hægt að stýra spinni atómanna með útvarpsbylgjuboðum sem höfðu einmitt sömu tíðni. Aukinheldur var þess gætt að öll atómin hefðu sama lóðrétta spinn og þá var hægt að hefja sjálfa tilraunina.

Í fyrstu var sendur öflugur leysigeisli þvert í gegnum gasið. Á leiðinni víxlverkuðust ljóseindir ljósgeislans við atómin þannig að skammtaástand hvorru tveggja samflæktist. Afleiðingin var sú að ljósgeisli innihélt upplýsingar um skammtaástand atómanna eftir að hafa farið í gegnum gasið.

Geislanum var nú blandað saman við skammtakóðaðan geislann, sem átti að fjarflytja, og þessir tveir samsettu geislar voru sendir af stað til tveggja óháðra nema sem hvor um sig mældi sinn geisla. Samanlagðar mælingarniðustöður voru nú sendar sem venjuleg rafboð aftur í ílátið með sesíumatómunum – áður en boðin eru send í ílátið er þeim fyrst umbreytt með útvarpsbylgjum með einmitt sömu tíðni sem getur breytt spinni atómanna. Fyrst þegar mælingarniðurstöður sameinast skammtaástandi atómanna í ílátinu endurmyndast hinar leyndu upplýsingar í kóðaða geislanum, og þar sem atómin þekkja þegar skammtaástand geislans sem fyrstur var sendur gegnum ílátið, er endanleg niðurstaða fjarflutningsins sú að upplýsingarnar í skammtakóðaða geislanum flytjast yfir til atómanna.

Þessi brautryðjandi árangur Eugene Polziks sannar að í raun er unnt að fjarflytja „eitthvað“ frá einum stað til annars með aðstoð ljósgeisla. Þar með er kominn grunnur að algjörlega nýrri gerð tölva og samskiptanets, þar sem óbrjótanlegir skammtakóðar geta farið um miklar fjarlægðir.