Kwantumteleportatie is niet alleen sciencefiction; het is volkomen reëel en gebeurt tegenwoordig in laboratoria. Maar het teleporteren van kwantumdeeltjes en informatie is verre van mensen door de ruimte sturen. In sommige opzichten is het zelfs nog verbazingwekkender.

John Prekill, een theoretisch natuurkundige aan het California Institute of Technology, is een van de toonaangevende theoretici van kwantumcomputers en informatie. In deze aflevering co-host Jana Levin interviewt hem over verstrengeling, het teleporteren van stukjes van kust naar kust, en de revolutionaire belofte van kwantumtechnologie.

Luister verder Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasts, TuneIn of je favoriete podcasting-app, of je kunt stream het van Quanta.

Afschrift

JANNA LEVIN: Wat komt er in je op als ik het woord teleportatie zeg? Misschien is het de transporteur van Star Trek de bemanning onmiddellijk naar een planeet sturen, of naar de tijdreizende TARDIS van Doctor Who. In science fiction is teleportatie een handig middel om mensen van de ene plaats naar de andere te brengen zonder tijdverspilling tijdens de reis.

Maar kwantumteleportatie? Nou, dat is iets dramatisch anders – en volkomen reëel.

Ik ben Janna Levin en dit is 'The Joy of Why', een podcast van Quanta Magazine, waar ik om beurten aan de microfoon zit met mijn co-host, Steve Strogatz, waarin enkele van de grootste vragen in de wiskunde en natuurwetenschappen van vandaag worden onderzocht.

Kwantumteleportatie is de kracht om van de ene locatie te verdwijnen en op een andere te verschijnen, zonder tussendoor te reizen. Hoewel we de films misschien nooit zullen evenaren, zal de technologie waarschijnlijk een revolutie teweegbrengen in de communicatie, het computergebruik en ons begrip van de wereld om ons heen.

Vandaag worden we vergezeld door een van de toonaangevende experts op het gebied van kwantumteleportatie. John Prekill is hoogleraar theoretische natuurkunde aan het California Institute of Technology en de oprichter en huidige leiderschapsvoorzitter van het Institute for Quantum Information and Matter. Zijn onderzoek heeft de deeltjesfysica, de kwantumveldentheorie en de kwantumaspecten van het vroege heelal en zwarte gaten onderzocht. Zijn huidige werk past dit onderzoek toe op hardnekkige problemen op het gebied van kwantumcomputers en informatie. John, welkom bij ‘De vreugde van het waarom’.

JOHN PRESKILL: Fijn om hier te zijn, Janna.

LEVIN: Ik ben blij je te hebben. Ik wil ingaan op de details van dit ongelooflijk technische onderwerp, maar kun je ons beginnen met een van de kernconcepten, namelijk de idee van verstrengeling, kwantumverstrengeling?

VOORVAARDIGHEID: Welnu, verstrengeling is het woord dat we gebruiken voor de karakteristieke correlaties tussen delen van een kwantumsysteem.

Allereerst: wat bedoelen we met een correlatie? We kunnen praten over correlaties voor gewone bits. Laten we zeggen dat je een bit hebt, dat is 0 of 1. En ik heb een bit, dat is 0 of 1. Als we dan allebei 0 hebben of allebei 1, dan is dat een correlatie tussen onze bits.

In het geval van qubits kunnen deze op een vergelijkbare manier worden gecorreleerd. Wanneer we de qubit observeren of meten – de kwantumanaloog van een beetje – we verwerven een beetje. Maar wat anders is aan de quantum-case is dat er meer dan één manier is om naar een qubit te kijken.

Je kunt het dus zien als een doos waar een stukje in zit. Binnenin staat een 0 of een 1. En ik kan op twee manieren in de doos kijken. Het heeft twee deuren. Ik kan deur #1 openen of deur #2. En elke kant zie ik een beetje.

En we zouden voor beide manieren een correlatie kunnen hebben. Als we allebei deur #1 openen, zien we een verband tussen het bit dat jij aanschaft en het bit dat ik aanschaf. En als we allebei Deur #2 openen, zien we een correlatie, die over het algemeen anders zou kunnen zijn.

En omdat we meerdere complementaire manieren hebben om naar een qubit te kijken, hebben ze correlaties die interessanter en complexer zijn dan de correlaties tussen gewone bits.

Maar het mysterie is dit: je kunt een qubit niet observeren zonder hem te verstoren. Dit is een heel belangrijk verschil tussen gewone informatie en kwantuminformatie.

LEVIN: Dus laten we zeggen dat ik mijn deeltje verstoor en het dwing een bepaalde toestand aan te nemen. We kunnen dat een meetproces noemen, of misschien doe ik het per ongeluk. En ik ontdekte dat het een 0 is. En het was op zo'n manier gecorreleerd met jouw deeltje. Legt dat werkelijk – zoals mensen zeggen – sneller dan de lichtsnelheid uw deeltje op om een ​​bepaalde toestand aan te nemen om de correlatie te respecteren?

VOORVAARDIGHEID: Nee, Helaas niet. O, ik wou dat het zo was. Als ik naar mijn qubit kijk, maakt het niet uit of jij naar de jouwe hebt gekeken of niet. Ik ga gewoon een willekeurig stukje zien. Dus pas nadat we allebei hebben gekeken en met elkaar hebben gepraat, kunnen we zien dat er een verband was.

Maar tenzij we praten, zal ieder van ons pure willekeur waarnemen, maar met een gelijke kans om 0 of 1 te zijn, en er is geen manier om enige informatie over te brengen.

LEVIN: Als we met elkaar discussiëren, moet dat deel van de communicatie natuurlijk langzamer gaan dan de snelheid van het licht.

VOORVAARDIGHEID: Nou ja, je kunt behoorlijk dicht bij de snelheid van het licht komen, maar niet sneller. Dus dat is een groot probleem, dat we echt niet, zelfs als we verstrengeld zijn, sneller informatie van mij naar jou kunnen sturen dan de tijd die het licht nodig heeft om van mij naar jou te reizen. Verstrengeling verandert dat verhaal niet.

LEVIN: Verbazingwekkend. Hier hebben we verstrengeling besproken, wat teruggaat tot gedachte-experimenten [Albert]Einstein deed om te proberen te worstelen met, en soms tegen, de kwantummechanica. Waarom noemde Einstein dit op beroemde wijze “spookachtige actie op afstand“? Of soms is de vertaling ‘spookachtige actie op afstand’.

VOORVAARDIGHEID: Welnu, Einstein was er heel sterk van overtuigd dat er geen willekeur mocht bestaan ​​in de fundamentele wetten van de natuurkunde. Hij was van mening dat als we alles weten wat we kunnen weten – wat de wetten van de natuurkunde ons zullen laten weten – over een fysiek systeem, we perfect zouden moeten kunnen voorspellen wat we zullen zien als we dat systeem observeren.

En verstrengeling voldoet niet aan dat principe. Er bestaat werkelijk sprake van echte willekeur in de wereld. Zelfs als we alles weten over dat verstrengelde paar qubits dat jij en ik delen, ben je nog steeds niet bij machte om te voorspellen wat je ziet als je naar die qubit kijkt. Het is maar een willekeurig stukje. En dat is niet omdat je het niet weet. Het is dat het niet bekend kan zijn.

LEVIN: Hoe wordt dit een belangrijke hefboom in kwantumteleportatie? Dat is op zichzelf geen kwantumteleportatie. Dus, hoe wordt het uitgebuit?

VOORVAARDIGHEID: Het is een subtiele vraag. Laten we het nu hebben over wat kwantumteleportatie is.

LEVIN: Alsjeblieft, ja.

VOORVAARDIGHEID: Dus je bent nu in New York, toch?

LEVIN: Ik ben in New York, ja.

VOORVAARDIGHEID: Oké, Janna, ik ben momenteel in Californië, en jij bent in New York, en ik heb hier in Californië toevallig een qubit. Het ligt hier in mijn hand. Het is gecodeerd in een klein atoom. Maar een kwantum FedEx maakt soms fouten, dus stuurden ze mij deze qubit, maar die was voor jou bedoeld. OK? Dus op de een of andere manier moet ik uitzoeken hoe ik mijn qubit naar jou kan overbrengen. En als we een kanaal hadden dat we konden gebruiken om het atoom van Californië naar New York te sturen, zou dat een manier zijn om de qubit naar jou te sturen. Maar we hebben niet zo'n verbinding die ik kan gebruiken om atomen te sturen.

Maar je wilt het atoom niet, je wilt de informatie die in het atoom zit. Toevallig hadden jij en ik gisteren zo slim de vooruitziende blik om een ​​paar verstrengelde qubits te creëren, in de verwachting dat we er ooit gebruik van zouden kunnen maken.

En dit is wat ik kan doen. Ik kan deze qubit nemen die ik vandaag heb ontvangen. Ik weet niet welke informatie erin staat. Het is een qubit die bij mij is afgeleverd. En ik kan het observeren samen met mijn helft van het verstrengelde paar qubits dat jij en ik delen.

En nu observeer ik twee qubits, en ik doe het in een – laten we het een verstrengelde meting noemen. We bekijken de twee gezamenlijk en ik kan twee stukjes informatie krijgen door ze te observeren. En dan – nu, via een gewone communicatieverbinding, zoals wat we nu gebruiken – kan ik die twee stukjes informatie naar jou sturen. En dan kun je die twee stukjes informatie gebruiken om een ​​bewerking uit te voeren op je qubit in New York.

En nu heeft die qubit in New York dezelfde kwantuminformatie als die mysterieuze qubit, die ik vandaag ontving. Ik weet niet wat de staat van die qubit is, en sterker nog, ik vernietig hem in mijn laboratorium als ik hem observeer. Maar we zijn in staat om het, om zo te zeggen, te 'reïncarneren' in New York. En je hebt alleen die twee stukjes informatie nodig om die qubit perfect te reconstrueren. Dat is kwantumteleportatie.

LEVIN: Dus in zekere zin had je een kwantumstaat in Californië waarvan je wilde dat ik deze in New York kon reproduceren zonder deze via FedEx te verzenden, terwijl ik door het land reed. Je wilde dat ik het kon doen zonder fysiek iets ertussen te verplaatsen. Dus je hebt voor mij een slimme manier bedacht om de toestand in mijn eigen laboratorium te reconstrueren met slechts die eenvoudige instructies.

En in die zin teleporteerde het. Het verdween aan jouw kant omdat je de staat vernietigde, en het proces van proberen de informatie te vinden die je aan mij moest overbrengen. Maar het verscheen weer in mijn lab nadat je de informatie had doorgegeven. Heb ik iets cruciaals gemist in die parafrasering?

VOORVAARDIGHEID: Welnu, ik denk dat er een paar dingen zijn die moeten worden versterkt in wat u zei. Allereerst ben ik het niet helemaal eens met uw verklaring dat ik u niets fysieks heb gestuurd. Sterker nog, dat deed ik. Ik heb je twee stukjes informatie gestuurd.

LEVIN: Oh, je hebt mij informatie via internet gestuurd.

VOORVAARDIGHEID: Dat kan ik niet doen zonder iets fysieks te sturen.

LEVIN: Akkoord.

VOORVAARDIGHEID: Misschien waren het fotonen die door een optische vezel gingen van Californië naar New York. En die communicatie tussen ons was eigenlijk nodig om dit te laten werken.

Maar het is niet genoeg. Er is iets grappigs aan qubits. Als ik een toestand van een qubit wil voorbereiden, heb ik veel informatie nodig. Je kunt een qubit geometrisch visualiseren als een pijltje dat in een driedimensionale ruimte wijst. Je weet wel, zoals het oppervlak van de aarde. En als ik je wil vertellen hoe ik de qubit heb voorbereid, kies ik een punt op die aardbol, dus ik moet je de lengte- en breedtegraad met zeer hoge precisie geven om je precies te vertellen hoe die qubit is voorbereid.

Dus in zekere zin gaat er veel informatie naar binnen, maar er komt heel weinig uit, want als je het observeert, krijg je maar een klein beetje. Dus dat ene stukje zal je niet vertellen hoe je de qubit, om zo te zeggen, op een bepaalde breedte- en lengtegraad op de aardbol moet plaatsen. Daarom is teleportatie opmerkelijk, omdat ik je alleen die twee stukjes heb gestuurd, en dat was genoeg om het perfect te reconstrueren.

Het zijn de twee delen samen met de verstrengeling die we deelden, die we gisteren met een vooruitziende blik hadden voorbereid.

LEVIN: Juist, dat is dus een groot verschil. Dat is nu verbazingwekkend. Je stuurt mij fysiek informatie, via internet of lichtsignalen, of hoe je ze ook naar mij stuurt. Maar op de een of andere manier krijg ik meer informatie vanwege de ingewikkelde opzet waarover we het eens waren.

Het is dus niet zo dat jij je IKEA bureau had, en ik wat informatie nodig had over hoe je de mijne moest bouwen, en jij hebt de jouwe in stukken geslagen om erachter te komen hoe het in elkaar zat. Je zou me nog steeds elk klein beetje informatie moeten vertellen. Er is dus iets fundamenteel anders aan het kwantumproces dan aan het klassieke proces. Wat is het voordeel daarvan? Waarom is het zo spannend? Wat is het probleem?

VOORVAARDIGHEID: Ten eerste, Janna, jij en ik zijn theoretisch natuurkundigen, dus er is niet veel voor nodig om ons enthousiast te maken.

LEVIN: [lachend] Absoluut.

VOORVAARDIGHEID: Maar waarvoor is het nuttig? Dat is een goede vraag. Stel dat we verstrengeling over de hele wereld willen verspreiden. Het klinkt best cool toch? We gingen ervan uit dat jij en ik de verstrengeling tussen Californië en New York konden delen, en we praatten niet over hoe we dat voor elkaar kregen.

Sterker nog, we weten op dit moment niet hoe we dat moeten doen met de technologie die momenteel bestaat. Er is in principe geen reden waarom we dat niet zouden kunnen, maar om praktische redenen kunnen we met de technologie die we nu hebben, geen qubit van Californië naar New York sturen en onbeschadigd laten aankomen.

De beste manier waarop we qubits kunnen verzenden is door fotonen via glasvezel te sturen, en glasvezel heeft verliezen. Dus als je een qubit over honderd kilometer probeert te sturen, heeft hij maar één kans op vijftig dat hij het haalt zonder te verdwijnen. En als ik zou proberen hem duizend kilometer te sturen, wat nog steeds niet genoeg is om New York te bereiken, is de kans vrijwel nul dat het hem zal lukken.

Dus, hoe kunnen we verstrengeling delen? We denken dat we dit gaan doen door gebruik te maken van teleportatie. Het klinkt een beetje circulair, toch? Omdat we verstrengeling nodig hebben om aan teleportatie te doen. Maar dit is het idee: ik kan een qubit bijvoorbeeld 10 kilometer of 50 kilometer sturen, met een vrij grote kans op succes.

LEVIN: Dat is nog steeds behoorlijk goed.

VOORVAARDIGHEID: Ja, dat is niet zo erg. Maar laten we nu veronderstellen dat ik helemaal van Californië naar New York wil komen, dus wat ik doe is, ik introduceer onderweg veel kleine knooppunten, waar we de kwantumcommunicatie als het ware gaan verbinden. Laten we ons dus voorstellen dat we van A naar C proberen te komen en wat we doen is dat we de verstrengeling delen tussen A en B en tussen B en C. En dan hebben we een manier om bij B een meting te doen van de twee helften van deze verstrengelde paren. We noemen dit verstrengelingswissel.

Je doet een meting van de twee qubits bij B, en dan zeg je tegen A en C: "Oh, hier is het meetresultaat dat ik had." Nu kunnen A en C verstrengeling delen. OK? In feite breiden we het bereik van de verstrengeling uit. Het is een variant op teleportatie.

En ik heb je nog niet het hele verhaal verteld, want als de verstrengeling van A naar B niet zo goed is en de verstrengeling van B naar C niet zo goed, kunnen we veel verstrengelingsparen nemen die nogal luidruchtig zijn. en onvolmaakt, en er is een manier om ze terug te brengen tot minder verstrengelde paren, die van veel hogere kwaliteit zijn. En door dat herhaaldelijk te doen, kunnen we een verbinding tot stand brengen tussen Californië en New York, en die vervolgens gebruiken voor wat we maar willen. We kunnen het gebruiken om die gedeelde sleutel te ontwikkelen waarvan we weten dat deze privé is, of we kunnen het gebruiken om kwantuminformatie te verzenden.

Hier is een meer alledaagse, kortere afstandsmanier waarop we teleportatie kunnen gebruiken. Als we twee chips in een kwantumcomputer hebben en we kwantuminformatie van de een naar de ander willen sturen, kunnen we dat doen door verstrengeling tussen de twee chips tot stand te brengen en vervolgens teleportatie te gebruiken om informatie van de een naar de ander te sturen. . En dat zal waarschijnlijk essentieel zijn voor het opschalen van quantum computing naar grote systemen die hele moeilijke problemen kunnen oplossen.

LEVIN: We zijn zo terug.

[Pauze voor advertentie-invoeging]

LEVIN: Welkom terug bij ‘De vreugde van het waarom’.

Je hebt het dus echt over technologieën. Ik ben me ervan bewust dat je onlangs baanbrekend werk hebt verricht voor een nieuw centrum bij Caltech. Het Center for Quantum Precision Measurement, geloof ik, gaat heten.

VOORVAARDIGHEID: Dat klopt, ja. Je hebt je onderzoek gedaan.

LEVIN: Ja. En is dat deels gericht op voortschrijdende technologieën? Zoals je zei, je bent een theoretisch natuurkundige. Dit is wat sommige mensen hebben gezegd: het “verrassende nut van nutteloze ideeën.” Maar bent u met zo'n centrum gericht op het bevorderen van technologieën, of wilt u werkelijk ons ​​fundamentele begrip van de kwantummechanica radicaal veranderen, of beide?

VOORVAARDIGHEID: We kunnen die dingen niet echt scheiden. Wetenschap en technologie gaan samen vooruit. Naarmate onze wetenschap geavanceerder wordt, ontwikkelen we betere technologieën, en dat maakt nieuwe ontdekkingen mogelijk. Wanneer de wetenschap vooruitgang boekt, komt dat door een combinatie van nieuwe ideeën en nieuwe technologieën.

Ik ben bijvoorbeeld geïnteresseerd in kwantumcomputers, en er zijn redenen om te verwachten dat dit uiteindelijk een grote praktische impact op de samenleving zal hebben. Maar het is ook een prachtig instrument voor wetenschappelijke ontdekkingen. Dus bij het Center for Quantum Precision Measurement zullen we technologie ontwikkelen, maar met het oog op betere meetstrategieën die eigenschappen als kwantumverstrengeling exploiteren, waardoor we dingen met grotere precisie en minder invasiviteit kunnen meten.

Iedereen wil dingen beter meten, en kwantumstrategieën kunnen ons helpen metingen te doen die anders niet mogelijk zouden zijn. Dat is werkelijk het intellectuele thema van dat centrum.

LEVIN: Ja, en iedereen wil informatie beter en sneller beheren.

VOORVAARDIGHEID: Welnu, iedereen begrijpt dat informatie belangrijk is, en waarvoor kwantuminformatie zal worden gebruikt en waar de grote praktische impact zal zijn – daar zijn nog steeds veel open vragen over.

Maar we kunnen erop anticiperen dat we met kwantuminformatie, met kwantumcomputing, met behulp van kwantumverstrengeling voor metingen, dingen kunnen doen die we voorheen niet konden doen. En dat zal uiteindelijk een praktische impact hebben.

LEVIN: Verwacht u dat deze praktische impact zich zal uitbreiden naar ons dagelijks leven?

VOORVAARDIGHEID: Uiteindelijk verwacht ik dat wel. We weten niet zeker hoe die impact zal worden gevoeld. In het geval van quantum computing is het beste idee dat we momenteel hebben – en het is een oud idee, dat al meer dan veertig jaar teruggaat tot Richard Feynman – is dat we kwantumcomputers kunnen gebruiken om dieper te begrijpen hoe kwantumsystemen zich gedragen.

Natuurkundigen zoals wij begrijpen dat dat interessant is, maar het is ook belangrijk omdat het de ontdekking mogelijk kan maken van nieuwe soorten materialen met nuttige eigenschappen, nieuwe soorten chemische verbindingen, misschien inclusief farmaceutische producten, enzovoort. En dat alles heeft uiteindelijk invloed op het dagelijks leven van mensen. En ook met kwantummetingen denk ik dat kwantumtechnologie uiteindelijk echt alles in de wetenschap zal raken.

Laten we zeggen dat we in de biologie en de geneeskunde graag zouden willen observeren wat er in de cellen gebeurt, op niet-invasieve wijze en met een hogere gevoeligheid. En dat zal uiteindelijk belangrijk zijn voor therapieën, en het zal ook belangrijk zijn voor een dieper begrip van de biologische wetenschap.

LEVIN: Er is ook plaats voor kwantumteleportatie bij het begrijpen van de fundamentele aard van de zwaartekracht, waarvan ik weet dat dit een centraal gebied van uw onderzoek is geweest. Hoe kan verstrengeling ooit een rol spelen in dingen die zo groot en log zijn als zwarte gaten?

VOORVAARDIGHEID: Voor mij is dit een van de meest opwindende dingen van kwantuminformatie; het geeft ons nieuwe manieren om over andere fundamentele vragen na te denken, ook in de fysica van de gecondenseerde materie, waar we zeer verstrengelde toestanden van kwantummaterie proberen te begrijpen. en in de zwaartekrachtfysica.

Dit verhaal gaat ver terug tot 1935, toen twee beroemde kranten in de krant verschenen Fysieke beoordeling. Een daarvan, van Einstein en [Nathan] Rosen, ging over de observatie dat we in de algemene relativiteitstheorie oplossingen kunnen vinden voor de vergelijkingen van Einstein, die ruimte-tijd beschrijven, waarin er een wormgat in de ruimte. Dit werd destijds niet zo goed begrepen, maar in werkelijkheid beschrijft de oplossing twee zwarte gaten, die een gedeeld interieur hebben: een soort wormgat dat de binnenkant van deze twee zwarte gaten met elkaar verbindt.

En het artikel van Einstein, [Boris] Podolski en Rosen was over kwantumverstrengeling en de bijzondere manier waarop systemen met elkaar kunnen worden gecorreleerd op een manier die we niet kunnen beschrijven in termen van klassieke informatie.

En wat we de afgelopen tien jaar zijn gaan waarderen: deze twee verschijnselen, kwantumverstrengeling en wormgaten in de ruimte, zijn nauw met elkaar verwant. In feite kunnen ze worden gezien als twee manieren om hetzelfde te beschrijven. Dit is een veel voorkomend verschijnsel in de natuurkunde en zeer krachtig. Als we twee verschillende manieren hebben om hetzelfde fenomeen te beschrijven, die er heel verschillend uitzien, maar precies dezelfde natuurkunde beschrijven, kan dat ons in staat stellen een dieper begrip te krijgen.

Wat we nu op prijs stellen, en wat we vrij expliciet kunnen zeggen in de versie van kwantumzwaartekracht die we het beste begrijpen, is dat als twee zwarte gaten zeer sterk met elkaar verstrengeld raken, ze met elkaar verbonden zullen worden door een wormgat in de ruimte.

Alice zou haar zwarte gat kunnen hebben, en Bob zou het zijne kunnen hebben, en als ze met elkaar verstrikt zijn, betekent dit dat Alice en Bob allebei in hun zwarte gaten kunnen springen. En dan zouden ze elkaar kunnen ontmoeten en misschien een tijdje een relatie kunnen hebben, ook al zouden ze, net als Romeo en Julia, gedoemd zijn om de singulariteit te bereiken en vernietigd te worden. Maar we kunnen het nog leuker maken, en dit is waar teleportatie om de hoek komt kijken.

We kunnen een wormgat in de ruimte, onder precies de juiste omstandigheden, begaanbaar maken. Het oorspronkelijke wormgat dat oorspronkelijk werd beschreven door Einstein en Rosen is een voorbeeld van een niet-begaanbaar wormgat. Dat betekent dat je niet aan het ene uiteinde kunt springen en aan het andere uiteinde weer naar buiten kunt komen. Maar wat we zijn gaan beseffen is dat het in de kwantumtheorie feitelijk mogelijk is om een ​​negatieve energiepuls naar een zwart gat te sturen. Wanneer je normaal gesproken materie naar een zwart gat stuurt, zorgt het ervoor dat de waarnemingshorizon een beetje naar buiten beweegt; die negatieve energiepuls kan ervoor zorgen dat het een beetje naar binnen beweegt. En dat is precies wat we nodig hebben om ervoor te zorgen dat Alice een bit of een qubit in haar zwarte gat kan gooien en dat het er aan het einde van Bob weer uit kan komen.

Er is een alternatieve manier om dit te beschrijven, namelijk dat dit in werkelijkheid een vorm van kwantumteleportatie is.

Dus ik denk dat dat heel leuk is, omdat het suggereert dat zwaartekrachtintuïtie ons kan helpen het gedrag van zeer complexe kwantumsystemen te begrijpen, die anders erg niet-intuïtief zouden lijken.

LEVIN: Het is een absoluut geweldige en fascinerende wending om zo diep in het kwantum te duiken, om te proberen de grootschalige verschijnselen te begrijpen, zoals het bestaan ​​van zwarte gaten of hun voortbestaan.

En ik ga er stiekem een ​​vraag aan toevoegen over de verdamping van zwarte gaten, en hoe kwantumteleportatie relevant kan zijn om te begrijpen hoe, als Alice in haar zwarte gat springt, haar informatie uiteindelijk niet verloren zal gaan, en dat kwantumteleportatie wel eens zou kunnen gebeuren. een manier voor ons om te achterhalen wat er met Alice is gebeurd nadat ze in het zwarte gat was gesprongen.

VOORVAARDIGHEID: Nou, ik wist dat toen ik samenkwam met Janna Levin, we het uiteindelijk over zwarte gaten zouden hebben.

LEVIN: [lachend] Ik kan van elk gesprek een gesprek over zwarte gaten maken.

VOORVAARDIGHEID: Geen verrassing daar.

Eigenlijk denk ik dat wat ik zojuist heb beschreven ons inzicht geeft in het proces waarmee informatie uit zwarte gaten ontsnapt, en wij denken dat dit het geval is. De wetten van de natuurkunde staan ​​niet toe dat informatie wordt vernietigd, zelfs niet als deze in zwarte gaten valt en de zwarte gaten verdampen. Het is gewoon raakt in rep en roer in een vorm die buitengewoon moeilijk te lezen is. Er is sprake van een schending van de plaatsbepaling. Dit is het meest, of een van de meest fundamentele principes in de natuurkunde. We hebben er eerder naar verwezen: informatie kan niet sneller reizen dan de snelheid van het licht.

Maar om uit een zwart gat te komen, reist informatie per definitie sneller dan het licht. Licht zit binnenin gevangen, informatie komt naar buiten. En dat geeft aan dat het idee van causaliteit – de manier waarop we er gewoonlijk over denken, dat er een snelheidslimiet is voor hoe snel informatie zich kan verspreiden – niet onder alle omstandigheden helemaal waar is. Dat beginsel kan worden geschonden.

En ruimte-tijd zelf is misschien niet echt een fundamenteel begrip. Het is eerder een opkomende eigenschap van een complex kwantumsysteem waarin de zaken sterk verweven zijn.

Hoe komt het dan dat we onder normale omstandigheden denken dat dit idee van causaliteit zo rigoureus vervuld lijkt te zijn? Welnu, ik denk dat we daar een antwoord op hebben, en het is best interessant dat het verband houdt met kwantumcomputers.

Wij denken van wel mogelijk om causaliteit te schenden, om informatie sneller dan het licht te verzenden. Maar om dat te kunnen doen is een kwantumberekening nodig van het soort dat je op een kwantumcomputer zou kunnen doen, en die is zo complex en zo krachtig dat we dit in de praktijk nooit zullen kunnen doen.

We zouden dus de ruimte tussen mij in Californië en jou, Janna, in New York moeten kunnen verscheuren. In principe kunnen we dat. In de praktijk is het zo buitengewoon moeilijk om het te doen, het zou zo'n krachtige berekening vereisen, dat niemand er ooit in zal slagen.

LEVIN: Opmerkelijk. John, je hebt een groot deel van je leven besteed aan het proberen begrijpen van enkele van de meest ongrijpbare en uitdagende concepten in de kwantumtheorie. Wat is er aan de studie van theoretische natuurkunde en kwantumteleportatie dat jou vreugde schenkt?

VOORVAARDIGHEID: Nou, ik ben vrij gemakkelijk te entertainen, dus veel dingen brengen me vreugde. Maar zowel vragen als antwoorden kunnen vreugde brengen. Ideeën waarvan je weet dat je ze nog nooit eerder hebt gehoord en waarvan je beseft dat ze diepgaand en fascinerend zijn, kunnen vreugde brengen. Dus toen ik voor het eerst besefte dat we theoretisch – en ik denk uiteindelijk in de praktijk – kwantumcomputers kunnen bouwen die zo krachtig zijn dat ze problemen kunnen oplossen die we nooit zouden kunnen oplossen als dit een klassieke wereld was, Het was een van de gelukkigste momenten om zo’n diepgaand en interessant idee tegen te komen. En door daarover na te denken, besloot ik uiteindelijk de richting van mijn eigen onderzoek te veranderen.

LEVIN: Het zijn zulke mooie dingen. We hebben met Caltech-theoretisch natuurkundige John Preskill gesproken over de ongelooflijke aard en potentiële toepassingen van kwantumteleportatie. John, heel erg bedankt dat je vandaag bij ons bent.

VOORVAARDIGHEID: Ik heb een geweldige tijd gehad, Janna. Bedankt.

LEVIN: Ik ook. Het is altijd leuk om te praten. 'Tot binnenkort.

[Themaspelen]

LEVIN: “The Joy of Why” is een podcast van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie ondersteund door de Simons Foundation. Financieringsbeslissingen van de Simons Stichting hebben geen invloed op de selectie van onderwerpen, gasten of andere redactionele beslissingen in deze podcast of in Quanta Magazine.

“The Joy of Why” is geproduceerd door PRX-producties. Het productieteam bestaat uit Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler en Merritt Jacob. De uitvoerend producent van PRX Productions is Jocelyn Gonzales. Morgan Church en Edwin Ochoa boden aanvullende hulp. Van Quanta MagazineJohn Rennie en Thomas Lin zorgden voor redactionele begeleiding, met steun van Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana en Madison Goldberg.

Onze themamuziek is van APM Music. Julian Lin bedacht de naam van de podcast. De afbeelding van de aflevering is van Peter Greenwood en ons logo is van Jaki King en Kristina Armitage. Speciale dank aan de Columbia Journalism School en Bert Odom-Reed van de Cornell Broadcast Studios.

Ik ben je gastheer, Janna Levin. Als u vragen of opmerkingen voor ons heeft, kunt u een e-mail sturen naar [e-mail beveiligd]. Bedankt voor het luisteren.