Fenomenul de teleportare ar trebui să-i poarte numele. Teleportarea Popescu. Pentru că ideea savantului român a dus la realizarea primei teleportări a unei particule. Fizicianul nostru a avut cea mai mare contribuţie la primul experiment de acest fel. Realizările sale şi ale echipei de cercetare din care a făcut parte ar putea duce, în viitorul apropiat, la realizarea unui super-computer. Este vorba despre calculatorul cuantic. Performanţele acestuia vor fi uluitoare. Informaţiile ştiinţifice consultate arată: cu ajutorul său vom putea realiza într-o săptămână ceea ce un computer obişnuit face în 1000 de ani! Aşadar, vom putea avea un computer de 52.000 de ori mai puternic decât unul clasic, cu ajutorul rezultatelor românului ce a reuşit performanţa teleportării unei particule. Fizicianul Raymond Laflamme afirmă că teleportarea reprezintă un pas important în realizarea calculatoarelor cuantice, în următorii 20 de ani. Deja există un prototip de calculator cuantic la Los Alamos, care este capabil să transmită informaţie la zeci de kilometri. Realizarea pe scară largă a calculatoarelor cuantice va face posibilă rezolvarea unor probleme mult mai rapid decât permit calculatoarele clasice. Acest lucru nu este posibil fără utilizarea unor resurse ale mecanicii cuantice cum ar fi “entanglementul”. Aşa se explică de ce numeroase agenţii guvernamentale şi militare din lume alocă fonduri uriaşe pentru realizarea calculatoarelor cuantice, pentru scopuri civile şi de apărare. Pe astfel de teme am discutat cu profesorul fizician român Sandu Popescu, care acum este profesor la prestigioasa universitate britanică Bristol şi care mi-a acordat un interviu în exclusivitate.

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 re-apare 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 inventarea teleportării a început un efort foarte intensiv pentru realizarea sa experimentală. O mulțime de dificultăţi tehnologice majore trebuiau trecute. Eu am reuşit să imaginez o schemă care evita multe din dificultăţile cele mai serioase, şi aşa am reuşit să facem prima experienţă de teleportare. Experiența în sine s-a efectuat în 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 avansuri. 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 prezen, starea particulelor de lumină se poate teleporta la peste o sută de kilometri, şi s-a realizat de asemenea şi teleportarea stării unor atomi,  dar pe distanţe foarte mici.

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

Prof. dr. Sandu Popescu: 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 telephonică sau unde radio. Aparatul de recepţie combină informaţia primită cu materie primă pregatită 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 tri-dimensional, prin care se transmite starea unui obiect tri-dimensional, 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 recapţie este un atelier întreg unde pe baza informaţiei primate de la transmiţător se construieşte o replică a obiectului original – un nou computer. Încă odată, 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 conceptual: Niciodată nu putem afla totul despre ce face o particulă microscopică! De exemplu dacă încercăm să aflăm unde se află particula, trebuie 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 schimbă viteza particulei. În consecinţă nu putem afla atât unde se află o particulă 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 transmite destinatarului aşa încât acesta să-şi poată prepara o particulă în aceiaşi stare ca şi 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 interactţionat iar apoi au fost separate, rămân într-un fel legate una cu alta chiar dacă distanţa este 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 din aceste particule ajutătoare se pune în aparatul de transmisie iar cealaltă în aparatul de recapţie. 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.

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

Prof. dr. Sandu Popescu: 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” (for his enormous contributions to the field of quantum mechanics.). Mai precis pentru descoperirea conceptului de corelaţii nelocale mai puternice decât cele cuantice şi pentru rezultate legate de aplicarea mecanicii cuantice în termodinamică(for discoveries of stronger-than-quantum no-signaling correlations, and the application of quantum theory to thermodynamics).

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

Prof. dr. Sandu Popescu: 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.

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

Prof. dr. Sandu Popescu: Fizica e 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.

Trebuie să-ţi placă ceea ce faci, ca să faci lucruri deosebite

Reporter: Ce planuri de viitor aveti, ce sfaturi daţi românilor, tinerilor cercetători din România?

Prof. dr. Sandu Popescu: 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 gîndesc la orice se întîmplă să-mi atragă atenţia în momentul respectiv. Poate că explic ceva studentţilor 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 gîndesc 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 atât cât şi multe perioade moarte. Atâta tot că este, asa cum spunea celebrul fizician Richard Feynman,  imaginaţie încătuşată într-o cămaşă de forţă –  nu avem dreptul să ne imaginăm că totul este posibil, ci trebuie să respectăm ceea ce s-a dovedit deja în mod experimental că este adevărat. După părerea mea cel mai important lucru în muncă – atât în cercetare, cât şi în orice alt domeniu, e sa-ţi placă ceea ce faci. Doar atunci poţi lucra bine şi avea rezultate.

Reporter: Cum consideraţi dv că a fost şcoala (pe vremea dv) şi cum e astăzi în România? Pe ce ar trebui să se pună accentul, ce ar trebui să se schimbe?

Prof. dr. Sandu Popescu: 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 mathematică şi fizică de liceu au fost forate 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 întâmplat 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 din 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 întîmplă acolo. Am auzit, bineînțeles, multe poveşti – unele bune şi unele rele – dar ca să îmi pot da o părere ar trebui să studiez cu mult mai multă atenţie faptele.

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

Prof. dr. Sandu Popescu: 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, stând 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.

Reporter: Teleportarea e realizarea dv cea mai importantă?

Prof. dr. Sandu Popescu: 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).

Reporter: Un proaspăt absolvent de universitate român, ce şanse are el să se realizeze în UK? Ce poate face pentru a ajunge ca dv, profesor, eventual de şcoala gimnazială britanică?

Prof. dr. Sandu Popescu: 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 lucrurile cât mai clare. Bineînţeles, nu se poate explica totul, deoarece aceasta ar necesita înţelegerea fizicii cuantice, dar sper că am reuşit măcar să fac înţelese anumite lucruri – măcar să se ştie CE SE întâmplă, deşi nu se poate explica DE CE se întâmplă ce se întâmplă.

Portretul savantului român Popescu, mai tare ca Einstein.

A proiectat schema experimentală pentru primul experiment de teleportare cuantică. Sandu Popescu a avut o soartă tristă pe vremea regimului comunist, fiind şomer. Specialist în fizică cuantică, Sandu Popescu nu şi-a abandonat cercetările în domeniu ajungând după ani de experimente la rezultatul spectaculos de teleportare. Profesorul român de la Universitatea Bristol din Marea Britanie este membru al Institutului Internaţional de Studii în domeniul cuanticii. Este cunoscut ca unul dintre fondatorii şi cercetătorii cei mai activi din domeniu. A inițiat cercetări privitoare la “entanglement multi-partite” şi a fost primul care a extins noţiunea de non-localitate dincolo de mecanica cuantică. Cu Massar, el a iniţiat zona de estimare a stării cuantice. Cu Gisin a iniţiat subiectul privitor la alinierea cadrelor de referinţă prin mijloace cuantice. El a făcut primele cercetări în zona de spectroscopie. A avut schimb de informaţii de succes cu experimentatori, Universitatea din Toronto,  Centre for Quantum Information and Quantum Control, i-a acordat premiul John Stewart Bell pentru contribuţiile aduse în domeniul mecanicii cuantice. Profesorul Popescu s-a născut la Oradea şi este primul fizician din lume care a reuşit teleportarea unei particule pe 4 iulie 1997, în laboratoarele Hewlett Packard din Bristol, Marea Britanie. O aplicaţie a acestei invenţii a fost criptografia, transmiterea mesajelor secrete. În prezent, pe lângă postul de profesor de fizică cuantică la Universitatea Bristol din Marea Britanie este şi visiting professor la Mathematics Institute, Berkeley. Popescu investighează aspectele fundamentale ale fizicii cuantice pentru întelege mai bine natura comportamentului cuantic. Mecanica cuantică este o teorie fizică care descrie comportamentul materiei la nivelul atomic şi subatomic, fenomene pe care fizica newtoniana 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 fizica atomică, fizica stării solide şi fizica nucleară, cât şi fizica particulelor elementare, dar şi ramuri înrudite, cum ar fi chimia cuantică. Pentru că centrul de interes al studiilor sale îl reprezinta aspectele fundamentale ale fizicii cuantice, el a reuşit o mai bună înţelegere a naturii comportamentului cuantic. Între 1996 si 2008 a fost asociat al firmei “Hewlett Packard” din Bristol, Marea Britanie în laboratoarele căreia a reuşit în 1997 fabulosul experiment de teleportare, invenţie care are ca aplicaţii practice criptografia şi transmiterea mesajelor secrete. În anul 2001 a fost laureat cu premiul Adams Prize.  Adams Prize este oferit în fiecare an de Facultatea de Matematică de la Universitatea Cambridge şi St. John’s College unui cercetător tânăr din Marea Britanie pentru rezultate deosebite în cercetare matematică sau altă ramură a ştiinţei.

Să faci într-o săptămâna ceea ce alţii ar face în 1000 de ani! Un computer de 52.000 de ori mai puternic decât unul clasic

Există un experiment în baza căruia s-au aflat diferenţele dintre un computer clasic şi unul cuantic.

Temele date: Să se afle factorii primi ai unui număr întreg N oricât de mare, pentru a se face o comparaţie între calculatorul clasic şi cel cuantic. Sunt probleme “grele” ale calculatoarelor actuale: Pentru un număr cu 100 de cifre – ambele calculatoare necesită o oră de calcule. Pentru un număr cu 1000 de cifre – calculatorul cuantic (o săptămână), cel clasic (1012 ani)…

A doua problemă: Să se afle un element ale unei baze de date nesortate conţinând N intrări (de exemplu, să se afle numele unei persoane dintr-o carte de telefon când se ştie numărul de telefon al acesteia!). Comparaţie: Algoritmul cuantic al lui Grover necesită operaţii elementare, pe când metoda clasică necesită etape lungi şi grele.

Concluzii

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.

Experiment uimitor. Până şi Einstein s-a înşelat

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. Entanglementul este o noţiune a fizicii cuantice care descrie stările inseparabile ale unor sisteme separate. Primele trei experimente de

teleportare cuantică, între care se distinge ca fiind prima, cea a românului Sandu Popescu, sunt descrise în prestigioase reviste de specialitate, cum e Nature. Împreună cu profesor 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. Fizicienii spun că Eistein nu a acceptat această acţiune “stranie” la distanţă. Dar 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 keii (QKD- quantum key distribution). Keile 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.

Lumea fizicii oferă drept biografie lucrări importante în care apare şi realizarea românului Sandu Popescu. 1.A. Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen: Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Physical review 47, 777 (1935). 2. D. Boschi, S. Branca, F. De Martini, L. Hardy, and S. Popescu: Phys. Rev. Lett. 80 (1998)

Va urma

Link: http://www.aos.ro/site_mod/TELEPORTAREA%20CUANTICA.pdf

Autor: Cristinel C. Popa