Ihmisen kaukosiirto on etätulevaisuutta mutta haaveksittu kvanttitietokone harppauksen lähempänä toteutumistaan. Sen bitteihin saadaan välttämätöntä vahvistusta lomittamalla keskenään atomeja ja fotoneja.



Julkaistu Tiede-lehdessä 9/2009

"Ihan sillä ensimmäisellä kerralla kun minä näin tavallisen television toimivan, sain aivan loistavan idean. "Hei katsokaahan", huusin minä. "Jos nuo ihmiset voivat särkeä valokuvan miljooniksi palasiksi ja lähettää palaset kiitämään läpi taivaan ja jos he sitten osaavat koota ne kuvaksi jälleen toisessa päässä, niin miksi minä en voisi tehdä samaa temppua suklaalevyllä."

Roald Dahl: Jali ja suklaatehdas. Otava 2005.


Suklaatehtailija Villi Vonkka ei suinkaan ole ainoa tai ensimmäinen, joka on haaveillut teleportaatiosta eli aineen lähettämisestä paikasta toiseen hajottamalla se ensin osiin ja kokoamalla sitten osat takaisin alkuperäiseen muotoon.

Teoriassa temppu on yksinkertainen. Atomit muodostuvat kahdenlaisista kvarkeista ja elektroneista sekä eräistä voimia välittävistä hiukkasista. Teleportaatiossa tarvitsee lähettää vain täsmällinen tieto jokaisen hiukkasen ominaisuuksista, ja sen perusteella alkuperäinen rakenne kopioidaan vastaan ottavassa päässä.


Ei ihan Star Trekiä

Fyysikoilla on jo teleportaatioon tarvittavat tiedot, taidot ja tekniikat. On kuitenkin rajoituksia, joiden vuoksi vaikkapa suklaalevyn lähettäminen kannattaa jättää mieluummin postinkantajan tehtäväksi. Nykyisellään teleportaatio on äärimmäisen hidasta: viruksen kokoisen suklaapalan siirto kestäisi yli sata vuotta.

Suklaata ei ole kaukosiirretty, mutta magneettikenttiä, fotoneja ja jopa atomeja on - siis siinä mielessä kuin tapahtuma kvanttimekaniikassa ymmärretään.

Jos nimittäin mielikuvasi teleportaatiosta tulee Star Trekistä tai Kärpänen-elokuvista, kvanttisiirto voi aluksi tuntua perin vaisulta tapahtumalta. Ei välkkyviä valoja eikä humisevia generaattoreita; itse asiassa kvanttiteleportaatiota ei edes voi nähdä paljain silmin.

Visuaalisen vaatimattomuuden ei kuitenkaan pidä antaa hämätä. Kvanttiteleportaatio saattaa muuttaa maailmaamme arvaamattomilla tavoilla, sillä sen ansiosta tietokoneiden laskentateho voi kasvaa aivan uusiin mittaluokkiin.


Uskottiin mahdottomaksi

Kaukosiirtoa on tutkittu vasta melko vähän, sillä sitä pidettiin pitkään fysiikan lakien vastaisena. Siirrettävän hiukkasen kaikki ominaisuudet tulee tietää tarkasti. Tämä taas on kvanttimekaniikan erään peruskiven, epätarkkuusperiaatteen, mukaan mahdotonta.

Vuonna 1993 joukko tutkijoita kuitenkin oivalsi, että epätarkkuusperiaate nimenomaan mahdollistaa teleportaation -  kunhan hiukkasen ominaisuuksia ei millään tavalla yritetäkään mitata.

Kvanttimekaniikassa hiukkasilla on oma erityinen tapansa tuntea toistensa ominaisuudet täsmälleen: kaksi hiukkasta tai suurempi hiukkasjoukko voi muodostaa niin sanotun lomittuneen järjestelmän, jossa hiukkaset jakavat ominaisuutensa keskenään. Tämä yhteishenki jopa ylittää paikallisuuden rajat.

Kun lomittuneen järjestelmän yhden osapuolen ominaisuuksia muutetaan, muutos vaikuttaa samanaikaisesti kaikkiin muihin hiukkasiin, vaikka ne olisivat kaukanakin. Kukaan ei tiedä, miten tieto välittyy hiukkasesta toiseen, mutta äkkiä se käy: muutoksen nopeudeksi on mitattu 10 000-kertainen valon nopeus. Muutos voi olla jopa täysin ajasta riippumaton, mutta nykyisten kellojen tarkkuus ei riitä täsmällisempään tulokseen.


Atomit ja fotonit kimppaan

Teleportaation tutkijoista osa on keskittynyt fotoneihin eli valohiukkasiin ja osa atomeihin. Molemmilla on etunsa ja haittansa.

Fotoneja on helppo lomittaa ja siirtää paikasta toiseen, mutta niiden varastoiminen on ongelmallista, koska valoa on vaikea pysäyttää, niin että tietty kvanttitila säilyy. Atomit sen sijaan säilyttävät varastoituinakin hyvin lomittuneen tilansa, mutta niitä taas on toivottoman hankala siirrellä tuhoamatta kvantti-informaatiota.

Alkuvuodesta Marylandin yliopiston tutkijat onnistuivat kehittämään yhdistelmätekniikan, jossa yhden atomin kvanttitila kaukosiirrettiin fotonien välityksellä toiseen atomiin noin metrin päähän. Apuna siirrossa käytettiin fotoneja. Aikaisemmin siirto on onnistunut vain sellaisten atomien kesken, jotka ovat samassa tyhjiössä ja miltei kiinni toisissaan.

Atomien fotonivälitteinen kaukosiirto on ratkaiseva edistysaskel. Metri on pieni matka, mutta metri metriltä teleportaatio onnistuu periaatteessa miten kauas tahansa.


Iso siirtyy työläästi

"Entä voisitteko te lähettää ihan oikean elävän ihmisen paikasta toiseen samalla tavalla?" kysyi Ari. "Ihmisen?" huusi herra Vonkka. "Oletko sinä järjiltäsi!"

Ei tietenkään ole mahdotonta, että teleportaatiota käytettäisiin joskus jopa ihmisten siirtämiseen paikasta toiseen, kenties jopa planeetalta toiselle. Mutta tuskin Villi Vonkan menetelmällä, jossa ihminen tai suklaa muutetaan valonsäteeksi ja siitä takaisin alkuperäiseen muotoon. Tämäkään ole aivan mahdottomassa ristiriidassa fysiikan lakien kanssa, mutta hankalaa se olisi.

Vaikka kaukosiirrettävänä olisi laiskoista laiskoin sohvaperuna, fotoneiksi muutettuna hänessä olisi energiaa Einsteinin kuulun E = mc potenssiin 2 -yhtälön mukaan. Tuo lukuisia ydinaseita vastaava energia pitäisi jotenkin saada hallitusti yhteen paikkaan ja takaisin eläväksi ihmiseksi.

Hieman helpompi tapa olisi mitata kaukosiirrettävä ihminen hiukkanen hiukkaselta ja lähettää mittaustulokset kaukaiselle vastaanottajalle. Jokainen voi kuvitella, millaista hyperkonetta tämä vaatisi, mutta periaatteessa vastaanottaja voisi tietojen avulla koota paikallisista hiukkasista tarkan kopion. Alkuperäinen ihminen tosin tuhoutuu prosessissa väistämättä.


Kopioidaan kubitit

Jos ihmisiä, suklaata tai muutakaan näkyvää ei voi siirtää, mihin teleportaatiota sitten tarvitaan? Näillä näkymin ennen kaikkea tietokoneisiin. Eikä mihin tahansa koneisiin vaan kvanttitietokoneisiin.

Kun tavallinen tietokone käyttää bittejä eli tiedonmuruja, jotka ovat joko ykkösiä tai nollia, kvanttikone hyödyntää kvanttibittejä eli kubitteja, jotka ovat yhtä aikaa sekä ykkösiä että nollia. Tämä nostaa laskentatehon sellaisiin lukemiin, että tulevaisuuden tietokoneet voivat täydellisesti jäljitellä esimerkiksi kemiallisia reaktioita. Nykyiset supertietokoneetkaan eivät pysty kuin likimääräisiin kuvauksiin.

Mutta kubittien kvanttitilat ovat lähes käsittämättömän hauraita. Pienikin lämpösäteilyn lähde - vaikka koneen kylkeä koskeva käsi - tuhoaa kvanttitilan heti. Ja koska koneen kaikki hiukkaset saattavat olla lomittuneina, yhden kubitin tuhoutuminen voi hetkessä hävittää kaikki muutkin.

Kubitteja ei siis voi siirtää karkeita kuparijohtoja pitkin tai varastoida muistikampoihin. Teleportaatio, jossa kubitista tehdään kopio, näyttääkin nyt parhaalta ratkaisulta kvanttitiedon siirtoon. Marylandin yliopiston koe osoitti, että yksittäinen atomi voi ottaa vastaan kvanttitilan ja säilöä sen pitkäksikin aikaa. Yhä suuremmat kvanttitietokoneet ovat mahdollisia, jos tietoa pystytään varastoimaan kestäviin atomeihin ja siirtämään helposti hallittavilla, sukkelilla fotoneilla.

Teleportaation toinen sovellus on tietojen salaus. Tässäkin suhteessa Marylandissa tehty koe on läpimurto: vaikka kaukosiirto ylti nyt vain metrin päähän, vastaisuudessa sopivin välimatkoin ketjutetut laitteistot voivat siirtää tietoa tuhansia kilometrejä.

Teleportaatiota käyttäisivät pankit, suuryritykset ja tietenkin armeijat. Lähietäisyyksillä tekniikkaa voi soveltaa vaikka lukkoihin tai pankkikortteihin.


Petri Forsell on vapaa toimittaja.


Kubitti kestää kaukosiirron


Kvanttibitti eli kubitti on kvanttitietokoneen käsittelemän tiedon pienin osa, kuten bitti on tavallisen tietokoneen. Kubitit  parantavat tietokoneen laskentatehoa huikeasti, mutta ne ovat hauraita ja tuhoutuvat herkästi.

Teleportaatio mahdollistaa kubitin lukemisen ja siirtämisen luomalla alkuperäisestä täydellisen kopion.

Professori Christopher Monroen johtama tutkimusryhmä Marylandin yliopistosta onnistui alkuvuodesta ensimmäisen kerran kaukosiirtämään atomin kvanttitilan eli käytännössä kubitin eristetystä säiliöstä toiseen. Säiliöillä oli välimatkaa metri.

Toistaiseksi onnistuneita kaukosiirtoja tapahtuu vain noin joka kymmenes minuutti, mutta kvanttifyysikkojen toiveissa on nostaa tahti yhteen sekunnissa. Tällöin menetelmästä olisi jo hyötyä tiedon salauksessa.


Näin teleportaatio käy:

- Ensin atomia säteilytetään mikroaalloilla niin, että se omaksuu halutun kvanttitilan. Koska kvanttitilat purkautuvat helposti, atomit pitää eristää tyhjiöön ja kylmentää lähes absoluuttiseen nollapisteeseen.

- Kun atomia ammutaan lasersäteellä, se luovuttaa yhden valohiukkasen eli fotonin, joka suunnataan peilien ja linssien kautta mittalaitteeseen. Fotoni on lomittunut lähtöatominsa kanssa ja "tietää", mitä kvantti-informaatiota atomi sisältää.

- Toisenkin säiliön atomista sinkautetaan fotoni, ja eri säiliöistä tulleet fotonit lomitetaan keskenään. Tällöin niiden lähtöatomitkin lomittuvat eli saavat saman kvanttitiedon.

Lomittumisen ansiosta kvantti-informaatio pystytään lukemaan. Vaikka toisen atomin tieto silloin tuhoutuukin, se on saatu kaukosiirrettyä lomittuneen järjestelmän toiseen atomiin, josta on tullut ensimmäisen täydellinen kopio.


Scifi on kautta aikain teleportannut ihmisiä. Alan klassikko, kirjailija Arthur C. Clarke intoutui myös laskemaan, paljonko energiaa vaatisi yhden ihmisen sisältämän tiedon siirtäminen.

Vastaus: pienen galaksin kaikkien tähtien verran.