A napfény, ami összekapcsolja a kvantumvilágot

Van valami, ami úgy hangzik, mint a sci-fi, de teljesen valódi: a tudósok rájöttek, hogyan lehet közönséges napfénnyel kvantum-összefonódást előállítani. Igen, azt a furcsa jelenséget, amit Einstein "kísérteties távoli hatásnak" nevezett el.

Korábban, ha valaki ki akarta használni az összefonódást — mondjuk ultrabiztos kommunikációhoz vagy szupergyors számítógépekhez —, lézerekre volt szüksége. Rengeteg lézerekre. A lézerek meg rengeteg energiát zabálnak. Ahogy a kvantumtechnológia egyre nagyobb terveket sző, ez az energiaéhség egyre komolyabb problémává válik.

De most jön a érdekes rész.

Az Ottawai Egyetem és a Max Planck Intézet kutatói épp most mutatták be: a napfény — igen, az a valami, ami most a bőrödet melegíti — simán megoldja a feladatot. Nem is rosszul. Az általuk elért összefonódás erőssége a tökéletes állapot nagyjából 94 százaléka volt. Ez baromi jónak számít.

De mi a csuda az a kvantum-összefonódás?

Lépésekben mondom el. Képzeld el, hogy van két részecskéd — mondjuk fotonok, vagyis fényrészecskék. Amikor összefonódnak, valami varázslatos történik: olyan kapcsolatba kerülnek, ami egyszerűen nem fér bele a hétköznapi gondolkodásunkba.

Mérd meg az egyik fotont, és azonnal tudsz valamit a párjáról — mindegy, mennyire messze vannak egymástól. Változtasd meg az egyiket, a másik azonnal reagál. Olyan ez, mint az ikerrészecskék, amelyek mindig tudják, mit csinál a másik, még ha az egyik a Marson van, a másik meg a kertedben.

És ez nem csak kuriózum. Az összefonódás a kvantumszámítógépek alapja, a feltörhetetlen titkosításé, és olyan szenzoroké, amelyek a mai legjobb technológiát gyerekjátéknak tűnnek.

A régi probléma

Itt a bökkenő: a fizikusok mindig úgy gondolták, hogy nagyon speciális, rendezett fény kell az összefonódáshoz. A lézerek "koherens" fényt állítanak elő, vagyis minden fényhullám tökéletesen szinkronban halad. Gondolj egy katonai díszszemlére — minden katona pontosan a helyén.

A napfény ezzel szemben káosz. Minden színt tartalmaz, minden irányba halad, és általában azt csinálja, amit akar. A tudósok szerint ez a kuszaság lehetetlenné tenné az összefonódást.

De itt jön a jó tudomány lényege: néha a legfontosabb felfedezések pont abból születnek, hogy valaki megkérdőjelezi az "egyértelmű" feltevéseket.

A "aha" pillanat

Néhány éve az Ottawai Egyetem kutatói LED-ekkel kezdtek játszani — olyan hétköznapi villanykörtékkel, amelyek semmiképpen sem koherens fényforrások. Meglepődve tapasztalták, hogy ezek az incoherens fényforrások is képesek összefonódást létrehozni. Kiderült: bár a fény bizonyos szempontból rendezetlen, a részecskék még lehetnek egymással összefonódva más szempontból.

Ez elültetett egy gondolatot. Mi lenne, ha ezt az elvet a végsőkig fokoznák — valamivel, ami még kaotikusabb, mint egy LED?

Ez a kérdés vezette őket a napfényhez.

Napfény-begyakás

A kihívás hatalmas volt. A napfény szétszórt és irányítatlan. Az összefonódáshoz egy apró, nemlineáris kristályra kellett fókuszálni — alig egy milliméteresre. Olyan ez, mintha egy ujjnyi méretű edényt próbálnál megtölteni egy napfényből álló tűzoltócsővel.

A megoldást a Max Planck Intézet kutatói szállították, akik egy zseniális, teljesen üvegből készült napfény-koncentrátort terveztek. Egy Fresnel-lencsét használtak — olyasmit, mint amilyen a világítótoronyban van —, nagyjából ablak méretűt, hogy összegyűjtsék a napfényt. Ezt egy kúp alakú rendszeren keresztül egy optikai szálba vezették, ami körülbelül egy emberi hajszál vastagságú.

Ezzel a szerkezettel képesek voltak a sűrített napfényt arra a parányi kristályra irányítani, és figyelni, ahán a kvantum-mágia megtörténik.

Az igazi trükk

De itt a legokosabb rész. A csapat felismerte: bár a napfény színek és irányok tekintetében kaotikus, egy konkrét tulajdonságban mégis produkálhat összefonódást — ez a polarizáció, vagyis alapvetően a fényhullámok rezgési iránya.

Azáltal, hogy úgy tervezték meg a rendszert, hogy csak a polarizáció számítson az összefonódáshoz, minden más rendetlenséget figyelmen kívül hagyhattak. A napfény lehetett kaotikus mindenféle szempontból, és mégis működött.

Olyan ez, mintha azt mondanánk: "Persze, az egész zenekar teljesen hamisan játszik, és a muzsikusok fele más kottából olvas — de amíg a dobok tökéletesen tartják az ütemet, mi azt nevezzük sikernek."

Miért fontos ez?

Rendben, szóval a tudósok napfénnyel tudnak összefonódást előállítani. De miért kellene ez neked?

Kezdjük a műholdakkal. Jelenleg, ha egy műholdat akarsz biztonságos kvantum-titkosítási kulcsok előállítására használni, tele kell pakolnod lézerekkel és az összes kísérő berendezéssel, ami azokat működteti. Ez nehéz, drága és rengeteg energiát zabál.

Napfény-hajtású összefonódással egy műhold a bőséges napenergiát használhatná ugyanezen kulcsok előállítására. Kevesebb hardver, kevesebb súly, kevesebb hibaforrás odafent, a rideg űrkörnyezetben.

De az igazán izgalmas a nagyobb kép. A kvantumszámítógépek hihetetlenül ígéretesek, de a skálázásuk eddig rémálom volt —Complexity és energiaigény tekintetében egyaránt. Ha a napfény hozzájárulhat az összefonódás előállításához, talán egy olyan út nyílik a kvantumtechnológia felé, amely nem igényel egy kisebb városnyi elektromos infrastruktúrát.

Elérhetőbb. Fenntarthatóbb. Lehetőségekben gazdagabb.

A nagyobb kép

Amit a leginkább figyelemre méltónak találok ebben a kutatásban, az nem is a technikai bravúr — hanem a mögötte meghúzódó gondolkodásmód. Valaki megnézett egy problémát, amelyről mindenki úgy gondolta, hogy egyetlen megoldása van, és megkérdezte: "De mi van, ha mégsem?"

Így halad a tudomány. Nem azért, mert elfogadjuk, amit mindig is mondtak nekünk, hanem azért, mert teszteljük ezeket a feltevéseket, böködjük a határokat, és néha kiderül, hogy az "lehetetlen" valójában egész jól megvalósítható.

Szóval legközelebb, mikor sütkérezel a napon, gondolj erre: ugyanez a fény, ami az arcodat éri, egyszer talán kvantumszámítógépeket működtet majd, biztosítja a globális kommunikációt, vagy feltárja a kvantumfizika eddig el sem képzelt rejtélyeit.

Nem rossz valami, ami 4,6 milliárd éve létezik.