SIERPIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

11

pano

rama

GEOFFREY WHEELER

odcina od swojego koƒca fragment DNA.
Ods∏ania si´ w ten sposób dalsza cz´Êç czà-
steczki, która b´dzie u˝yta do rozpoznania
kolejnego mRNA, dzi´ki czemu mo˝na budo-
waç nanoprocesory zdolne do kaskadowej
analizy poziomu wielu typów mRNA (patrz:
http://www.wisdom.weizmann.ac.il/~udi/).
Ostatni etap kaskady zaprojektowano tak,
by w zale˝noÊci od wyniku analizy uwalnia-
ny by∏ specjalny fragment DNA hamujàcy
ekspresj´ wybranego genu. Jak wykazali ba-
dacze, odpowiednio skonstruowany nano-
procesor rozpoznaje kombinacj´ mRNA cha-

rakteryzujàcà raka gruczo∏u krokowego lub
niedrobnokomórkowego raka p∏uca i nast´p-
nie hamuje ekspresj´ genów kluczowych dla
rozwoju tych nowotworów.

Rozmiary takich nanoprocesorów sà nie-

zwykle ma∏e: w kropli wody mieszczà si´ ich
biliony. Nadawa∏yby si´ one zatem do lecze-
nia niemal wszystkich ludzkich chorób. Na
razie jednak system ten dzia∏a tylko w pro-
bówce, a na drodze do praktycznego stoso-
wania stoi ten sam problem, co w zwyk∏ej
terapii genowej: jak to wszystko dostarczyç
do komórek?

n

FIZYKA

Teleportacji ciàg dalszy

PRZEKAZANO STANY KWANTOWE POMI¢DZY ATOMAMI. MAREK ˚UKOWSKI

U

dane teleportacje stanów kwantowych
mi´dzy atomami sta∏y si´ faktem.
Przeprowadzi∏y je niezale˝nie od sie-

bie dwa zespo∏y fizyków – Reinera Blatta z
Universität Innsbruck w Austrii i Davida
J. Winelanda z amerykaƒskiego National
Institute of Standards and Technology
(NIST), o czym poinformowa∏o Nature z 17
czerwca.

Pionierskie eksperymenty teleportacji

dotyczy∏y stanów Êwiat∏a. Kwantowa tele-
portacja to niemo˝liwa klasycznie metoda
przekazywania stanu kwantowego, wyko-
rzystujàca tzw. kwantowe splàtanie [patrz:
Anton Zeilinger „Kwantowa teleportacja”;
Âwiat Nauki, lipiec 2000]. Dwa splàtane ato-
my sà ÊciÊle ze sobà skorelowane. Nie sà to
jednak korelacje w∏asnoÊci ka˝dego z ato-
mów z osobna. Korelacje te po-
legajà na tym, ˝e sà okreÊlone
∏àczne w∏asnoÊci obu atomów
(np. wiemy, ˝e atomy majà prze-
ciwne pr´dkoÊci, chocia˝ pr´d-
koÊç ˝adnego z nich nie jest
okreÊlona). Pomiar takiej sko-
relowanej w∏asnoÊci jednego z
atomów okreÊla wartoÊç odpo-
wiedniej w∏asnoÊci drugiego
(mierzàc pr´dkoÊç jednego, po-
znajemy pr´dkoÊç drugiego).
Splàtanie implikuje te˝ korela-
cje w∏asnoÊci komplementar-
nych (w naszym przyk∏adzie po-
∏o˝enia – nie znamy po∏o˝eƒ

atomów, ale wiemy, jaka jest ich wzajemna
odleg∏oÊç). I najciekawsze: splàtanie nie za-
nika wraz z odleg∏oÊcià. Fizyka klasyczna
zgodna z teorià wzgl´dnoÊci na takie kore-
lacje nie zezwala.

Eksperymenty obu grup polega∏y na

operacjach na trzech atomach. Na atomie
(T), z którego „pobierano” stan elektrono-
wy, oraz dwóch atomach (A i B), których
stany elektronowe by∏y splàtane. Atomy zo-
sta∏y dobrane tak, aby ich stany elektronowe
zachowywa∏y si´ jak qubity, czyli bity kwan-
towe. Qubity, podobnie jak bity, majà tylko
dwa ca∏kowicie rozró˝nialne, „przeciwne”
stany. Przyk∏adowy qubit to polaryzacja
fotonu, a bit to – dajmy na to – orze∏ lub
reszka. Jednak qubity mogà wyst´powaç w
nieskoƒczenie wielu superpozycjach stanów,

PU¸APKA NA ATOMY,

których

stany b´dà teleportowane.

W Polsce te˝ umiemy plàtaç
qubity. W Krajowym
Laboratorium Fizyki Atomowej,
Molekularnej i Optycznej
w Toruniu grupa Czes∏awa
Radzewicza, wykorzystujàc
splàtanie polaryzacji par fotonów,
dokona∏a przekazu klasycznej
informacji (bitów). Kodowano
bity na ∏àcznych w∏asnoÊciach
par fotonów. A zatem mimo ˝e
u˝yte Êwiat∏owody deformowa∏y
polaryzacje fotonów, deformacje
by∏y takie same dla obu fotonów
z danej splàtanej pary.
Ich w∏asnoÊci ∏àczne,
wzajemna relacja ich
polaryzacji, nie ulega∏y zmianie.
Uda∏o si´ osiàgnàç wysokà
czystoÊç przekazu.

SPLÑTANIE

PO POLSKU

pano

rama

NIST

a bity nie. Tzw. czyste stany qubitów zacho-
wujà si´ jak wektory o d∏ugoÊci 1. Istnie-
je nieskoƒczenie wiele par takich wektorów
o przeciwnych zwrotach. Natomiast bity
zachowujà si´ jak liczby o wartoÊci bez-
wzgl´dnej równej 1. Sà tylko dwie takie licz-
by 1 i –1.

W obu doÊwiadczeniach naukowcy wpro-

wadzili impulsami laserowymi qubit atomu
T w okreÊlony stan, a nast´pnie zmierzyli
pewnà wspólnà w∏asnoÊç qubitów atomów
T i A. Po takim pomiarze qubity atomów T
i A by∏y splàtane (bo poznano tylko ich
wspólne w∏asnoÊci). JednoczeÊnie w ten spo-
sób bezpowrotnie „wymazali” stan qubitu
T. Z racji splàtania atomów A i B stan ato-
mu B by∏ przed pomiarem skorelowany z
potencjalnym wynikiem pomiaru na T i A
∏àcznie. Po pomiarze nale˝a∏o przekazaç ten
wynik tam, gdzie by∏ atom B, aby wiedzieç,
jakiej manipulacji trzeba dokonaç na tym
atomie, by przeszed∏ on do stanu b´dàcego
odtworzeniem stanu qubitu T.

Ten ostatni krok jest niezb´dny. Bez niego

nie ma teleportacji. Wynik pomiaru ∏àcznych
w∏asnoÊci dwu qubitów, czyli zaobserwowa-
nie dla nich korelacji zgodnych z tzw. sta-
nami Bella, mo˝na zapisaç w postaci dwóch
bitów informacji, podajàc na przyk∏ad, ˝e
korelacje sà typu 0, 1, 2 lub 3. Dopiero po
otrzymaniu tej informacji mo˝na na atomie
B wykonaç koƒcowà manipulacj´. Tak wi´c
wbrew mitom teleportacja kwantowa nie jest
„nadÊwietlna” i nie polega na natychmiasto-
wym przemieszczeniu materii, energii ani
informacji. Jest jednak cudem fizyki. Aby
okreÊliç stan qubitu, a zatem tak˝e aby móc
go wyprodukowaç „od zera”, potrzeba nie-
skoƒczonej liczby bitów. Natomiast w pro-
cesie teleportacji do odtworzenia stanu T na
qubicie B wykorzystuje si´ pierwotne splàta-
nie A i B oraz przekaz tylko dwóch bitów.
Ponadto jest to mo˝liwe bez znajomoÊci pier-
wotnego stanu qubitu T!

WiernoÊç teleportacji w obu eksperymen-

tach wynosi∏a oko∏o 75%. Jest ona wy˝sza
ni˝ mo˝liwa do otrzymania tradycyjnymi
metodami, czyli bez wykorzystania splàta-
nia. Konwencjonalnie moglibyÊmy próbowaç
dokonaç jakiegoÊ pomiaru na qubicie T i
przes∏aç wynik do miejsca, w którym znajdu-
je si´ atom B. Na podstawie tej informacji
mo˝na by próbowaç odtworzyç pierwotny
stan qubitu T, przeprowadzajàc manipula-
cje na atomie B. Taka metoda jednak zawo-
dzi, poniewa˝ dowolny pomiar wykonany
na qubicie daje nam tylko jeden bit informa-
cji, a stan qubitu jest opisywany przez nie-
skoƒczenie wiele bitów. W doÊwiadczeniach
nigdy nie mierzymy bezpoÊrednio stanów
kwantowych. Pojedynczym qubitom mo˝e-
my tylko zadaç pytanie: czy jesteÊ w stanie S,
czy w stanie przeciwnym? Mo˝emy okreÊliç
doÊwiadczalnie stan qubitu na podstawie
wielokrotnie powtarzanych przeró˝nych po-
miarów na kolejnych qubitach, o których
wiemy, ˝e sà w takim samym stanie. Ka˝dy
taki pomiar daje jeden bit informacji. Ale
ziarnko do ziarnka i zbierze si´ miarka – da-
nych b´dzie wystarczajàco du˝o, ˝eby w
przybli˝eniu okreÊliç badany stan. Majàc jed-
nak tylko jeden qubit, nie mo˝emy takiego
procesu zbierania informacji przeprowadziç,
bo ka˝dy pomiar zaburza jego pierwotny
stan. Ewentualny nast´pny pomiar odnosi
si´ ju˝ do stanu zaburzonego.

Opanowanie techniki teleportacji stanu

kwantowego atomu jest wa˝nym udoskona-
leniem istniejàcych metod przetwarzania in-
formacji kwantowej i in˝ynierii kwantowej.
Zdobyte umiej´tnoÊci mogà znaleêç zasto-
sowanie w tworzeniu kwantowych uk∏adów
logicznych oraz w kwantowej komunikacji
i kryptografii. Jednak nie miejmy z∏udzeƒ,
˝e umo˝liwi nam teleportowanie si´ na inne
planety. Przecie˝ nawet nie umiemy telepor-
towaç pe∏nego stanu atomu, lecz tylko jego
najprostsze, czyli qubitowe, w∏asnoÊci.

n

DAVID WINELAND

z NIST

ustawia maszyn´ do teleportacji

stanów jonów berylu.