Αρχική > Σύγχρονη Φυσική > Τηλεμεταφορά με βάση τις παράξενες κβαντικές ιδιότητες

Τηλεμεταφορά με βάση τις παράξενες κβαντικές ιδιότητες

29/10/2010

Για έναν κλασικό φυσικό, η πιο ενοχλητική ίσως όψη του κβαντικού κόσμου είναι ότι τίποτε δεν μοιάζει πραγματικό έως ότου μετρηθεί. Υποθέστε ότι θέλετε να μάθετε κάτι σχετικά με ένα κβαντικό σωματίδιο — την κατάσταση πόλωσης ενός φωτονίου, ας πούμε. Προτού πραγματοποιήσετε τη μέτρηση, το φωτόνιο δεν είναι πραγματικά πολωμένο σε μια συγκεκριμένη διεύθυνση. Σαν φάντασμα, τριγυρνά ανάμεσα σε πολλά επίπεδα πόλωσης. Βρίσκεται σε μια δυνητική κατάσταση ενδεχόμενων πολώσεων, καθεμιά από τις οποίες έχει ορισμένη πιθανότητα να εμφανιστεί κατά τη μέτρηση. Όταν, λοιπόν, μετρήσετε την πόλωση του φωτονίου, θα λάβετε μια σαφή απάντηση. Παραδόξως, όμως, κατά τη μέτρηση όλες οι υπόλοιπες ενδεχόμενες πολώσεις μηδενίζονται —και η αρχική ασαφής κατάσταση εξαφανίζεται!

Επομένως, η πράξη της μέτρησης ενός σωματιδίου ουσιαστικά καταστρέφει κάποιες πληροφορίες σχετικά με την πρότερη κατάσταση του. Και αυτό φαίνεται να καθιστά πρακτικά αδύνατη την αντιγραφή τέτοιων σωματιδίων και την αναπαραγωγή τους κάπου αλλού. Κατά ειρωνικό τρόπο όμως, τα παράξενα τερτίπια του κβαντικού κόσμου ανατρέπουν ετούτη την αντίληψη. Αποδεικνύεται ότι μπορείτε να επαναδημιουργήσετε μια κβαντική κατάσταση που δεν την έχετε μετρήσει — εφόσον, βέβαια, είστε αποφασισμένος να θυσιάσετε την πρωτότυπη. O μηχανισμός εκμεταλλεύεται την ίδια την αβεβαιότητα που καθιστά τόσο αινιγματική την κβαντική μέτρηση στην αρχική θέση.
O Charles Bennett, φυσικός των εργαστηρίων της IBM της Νέας Υόρκης, εισήγαγε πρώτος το 1993 την ιδέα της κβαντικής «τηλεμεταφοράς» — θεωρητικά, φυσικά! O Bennett και οι συνεργάτες του βρήκαν τον τρόπο ώστε ένα υποθετικό πρόσωπο, η Αλίκη (αποστολέας), να τηλεμεταφέρει ένα σωματίδιο στο φίλο της Μπομπ (παραλήπτης), που βρίσκεται σε κάποια απόσταση. Αυτό που συμβαίνει είναι ότι ο Μπομπ δημιουργεί ένα σωματίδιο στην ίδια ακριβώς κατάσταση με το πρωτότυπο σωματίδιο της Αλίκης, παρότι η Αλίκη ουδέποτε έμαθε την εν λόγω κατάσταση.

Υποθέστε ότι ο Μπομπ και η Αλίκη ήθελαν να αντιγράψουν ένα φωτόνιο. H Αλίκη δεν μπορεί να «μετρήσει» το φωτόνιο της και να στείλει τα αποτελέσματα στον Μπομπ, επειδή η μέτρηση θα κατέστρεφε κάποιες από τις πληροφορίες που χρειάζεται ο τελευταίος. H κβαντική θεωρία, ευτυχώς, διαθέτει πιο εκλεπτυσμένα μέσα επικοινωνίας. Ένα επιπλέον ζεύγος «διαπλεγμένων» φωτονίων ανοίγει το κανάλι τηλεμεταφοράς ανάμεσα στην Αλίκη και τον Μπομπ.

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, μπορείτε να διαπλέξετε ένα ζεύγος φωτονίων με τέτοιον τρόπο ώστε οι ιδιότητες τους να συνδέονται αδιάρρηκτα. Αυτό ισχύει ακόμη κι αν τα στείλετε προς τα δύο αντίθετα άκρα της Γης: μετρήστε το ένα φωτόνιο στον Βόρειο Πόλο, και αμέσως θα γνωρίζετε την κατάσταση του άλλου στον Νότιο.

Μπλεχτήκατε; Δεν είστε οι μόνοι! Στην πραγματικότητα, το εν λόγω σενάριο το επινόησαν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν και οι νεαρότεροι συνεργάτες του Boris Podolsky και Nathan Rosen, για να δείξουν πόσο παράλογη και απαράδεκτη ήταν η κβαντική μηχανική —φαίνεται να αξιώνει το αδύνατο: μετρήσεις σε κάποιον τόπο παράγουν ακαριαία ένα αποτέλεσμα κάπου αλλού. Κατά ειρωνικό τρόπο, τα πειράματα έχουν δείξει ότι τα παραπάνω ζεύγη σωματιδίων (τα ονομάζουμε και σωματίδια EPR —από τα αρχικά των ονομάτων των τριών επιστημόνων) πράγματι επικοινωνούν με αυτό τον μυστηριώδη, «υπερφυσικό» τρόπο (σύμφωνα με τα λόγια του Αϊνστάιν). Αλλά, περισσότερα επ’ αυτού του θέματος, λίγο αργότερα. Για την ώρα έχουμε να λύσουμε το πρόβλημα της Αλίκης και του Μπομπ.

H Αλίκη διαθέτει ένα πρωταρχικό φωτόνιο που δεν το έχει μετρήσει (και φυσικά δεν ξέρει την πόλωση του), και το οποίο θέλει να τηλεμεταφέρει στον Μπομπ. Αρχικά δημιουργεί ένα ζεύγος συνδεόμενων φωτονίων EPR (πεπλεγμένα ή διαπλεγμένα φωτόνια), κρατάει το ένα και στέλνει το άλλο στον Μπομπ. Στη συνέχεια μεριμνά ώστε το φωτόνιο που δεν έχει μετρήσει να αλληλεπιδράσει με το φωτόνιο EPR που έχει κρατήσει, μετρά το αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης και στέλνει την απάντηση στον Μπομπ με τρόπο συμβατικό —με τηλέφωνο, με φαξ, με ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, με ταχυδρομικό περιστέρι ή με ό,τι άλλο θέλετε.

Και τώρα το μυστηριώδες μέρος. O Μπομπ λαμβάνει το μήνυμα της Αλίκης και, ανάλογα με το τι λέει, επενεργεί με έναν προκαθορισμένο τρόπο στο δικό του φωτόνιο EPR — το δεύτερο μέλος του πεπλεγμένου ζεύγους. Για παράδειγμα, μπορεί να μεταβάλει την πόλωση του φωτονίου του κατά ποσό εξαρτώμενο από την πληροφορία που του απέστειλε η Αλίκη. Στο τέλος της διεργασίας το φωτόνιο του Μπομπ θα έχει καταστεί πανομοιότυπο του πρωτότυπου φωτονίου της Αλίκης. Έτσι, η κβαντική κατάσταση του εν λόγω φωτονίου — μολονότι όχι το ίδιο το φωτόνιο — έχει τηλεμεταφερθεί από την Αλίκη στον Μπομπ.

Δηλαδή για να αναδημιουργήσετε το φωτόνιο — για να το τηλεμεταφέρετε— πρέπει να διαβιβάσετε δύο ειδών πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του. Το ένα είναι το συνηθισμένο, καθημερινό είδος πληροφορίας. (Και αποτελεί το εύκολο μέρος: μετράτε και στέλνετε τις λεπτομέρειες με κάποιο συνηθισμένο τρόπο.) Τι γίνεται, όμως, με την κβαντική πληροφορία — εκείνη που καταστρέφεται όταν πραγματοποιείτε τη μέτρηση σας στο πρωτότυπο άγνωστο φωτόνιο; Το τέχνασμα για τη μεταβίβαση της βρίσκεται στην απόρρητη, μυστηριώδη σύνδεση μεταξύ των φωτονίων EPR της Αλίκης και του Μπομπ. Υποχρεώνοντας το δικό της άγνωστο έως τότε φωτόνιο να αλληλεπιδράσει με το φωτόνιο EPR, η Αλίκη εξαναγκάζει και το άλλο μέλος του πεπλεγμένου ζεύγους να αλληλεπιδράσει με το άγνωστο φωτόνιο της.

Επομένως, διαμέσου του μυστηριώδους καναλιού EPR, ο Μπομπ λαμβάνει κάποια παράξενη, κβαντική πληροφορία σχετικά με την κατάσταση του πρωταρχικού φωτονίου που η Αλίκη θέλει να τηλεμεταφέρει.

Αλλά η ιστορία δεν τελειώνει εδώ, επειδή, όπως είπαμε, η Αλίκη πρέπει να μετρήσει και το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των «δικών της» δύο φωτονίων και να στείλει το αποτέλεσμα στον Μπομπ. Αν λοιπόν όλα γίνουν σωστά, ο Μπομπ θα λάβει έναν συνδυασμό υπερφυσικής κβαντικής πληροφορίας και συνηθισμένης κλασικής πληροφορίας, γεγονός που του επιτρέπει να αναπαραγάγει το πρωτότυπο άγνωστο φωτόνιο της Αλίκης.

Για πρώτη φορά το 1997, δύο επιστημονικές ομάδες — η μία του Πανεπιστημίου της Ρώμης και η άλλη του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ — κατάφεραν να τηλεμεταφέρουν φωτόνια, από τη μία άκρη του εργαστηρίου τους στην άλλη!

Υπάρχουν αρκετές ενδιαφέρουσες προϋποθέσεις σχετικά με τη διαδικασία που περιγράψαμε παραπάνω.
Καταρχάς, η Αλίκη πρέπει να στείλει στον Μπομπ με συμβατικό μέσο τα αποτελέσματα των μετρήσεων της — δηλαδή με ταχύτητα μικρότερη του φωτός· οπότε, αν και το μυστηριώδες τμήμα (κβαντική πληροφορία) της τηλεμεταφοράς διαβιβάζεται ακαριαία, για το τμήμα της κλασικής πληροφορίας δεν ισχύει το ίδιο. H κβαντική τηλεμεταφορά δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί με ταχύτητα μεγαλύτερη απ’ αυτή του φωτός —γεγονός βέβαια που θα ικανοποιούσε και τον Αϊνστάιν.
Δεύτερον, η μέτρηση της Αλίκης καταστρέφει την κβαντική κατάσταση του πρωτότυπου φωτονίου της.
Τρίτον, ούτε η Αλίκη ούτε και ο Μπομπ θα μάθουν ποτέ ποια πραγματικά ήταν αυτή η «πρωτότυπη» κβαντική κατάσταση — η απευθείας μέτρηση μιας κβαντικής κατάστασης, είπαμε, καταστρέφει πάντα και με απρόβλεπτο τρόπο όλες τις σχετικές πληροφορίες. H Αλίκη μπορεί βεβαίως να τηλεμεταφέρει μια κβαντική κατάσταση στον Μπομπ, ωστόσο κανένας από τους δύο δεν μπορεί ποτέ να γνωρίζει ακριβώς ποια κατάσταση τηλεμεταφέρθηκε.

Τι σημαίνουν όλα τούτα για το είδος της τηλεμεταφοράς που πραγματοποιείται στην τηλεοπτική σειρά Star Trek, όπου ένας ολόκληρος άνθρωπος μεταφέρεται από τόπο σε τόπο; Οι δυσκολίες είναι αξεπέραστες. Για να τηλεμεταφερθεί μια ομάδα ατόμων, αντί ενός και μόνο φωτονίου, το κανάλι επικοινωνίας EPR πρέπει να μεταφέρει όχι μόνο μία υπερφυσική κβαντική πληροφορία, αλλά ένα ολόκληρο σύνολο τέτοιες. Αυτό προϋποθέτει όχι απλώς μεγάλο πλήθος ανεξάρτητα ζεύγη EPR — γεγονός που έτσι κι αλλιώς είναι δύσκολο —, αλλά ένα μοναδικό σύμπλεγμα EPR που θα περικλείει τεράστιο πλήθος ζεύγη. Θα ήταν σχεδόν αδύνατον να κατασκευάσουμε μια τέτοια κατάσταση χωρίς, στο ταξίδι της ανά τους αιθέρες, να καταστραφεί η ακεραιότητα της.

JeanLucPicard Και δεν είναι μόνο αυτό. Για την τηλεμεταφορά του κυβερνήτη Jean-Luc Picard, θα πρέπει να σταλεί ακαριαία μια πλήρης περιγραφή της συλλογικής κβαντικής κατάστασης στην οποία βρίσκεται κάθε ηλεκτρόνιο και άτομο του σώματος του. Και αυτό αποτελεί δύσκολο εγχείρημα! H Αλίκη πρέπει να επινοήσει μία και μόνο ακαριαία μέτρηση που θα «παγιδεύσει» όλες αυτές τις πληροφορίες μονομιάς, και ο Μπομπ, στην άλλη μεριά, πρέπει να πραγματοποιήσει έναν παρόμοιας πολυπλοκότητας επανασχηματισμό. Και υποθέστε ότι καταστρέφετε την κβαντική αναπαράσταση του Jean-Luc Picard στο ένα μέρος και την αναδημιουργείτε στο άλλο. Αυτή η ανακατασκευή θα είναι ο ίδιος άνθρωπος, από κάθε άποψη; Θα συμπεριφέρεται όπως ο πρωτότυπος; Αυτό όμως αφήνουμε να το ξεδιαλύνετε εσείς…

Advertisements
Κατηγορίες:Σύγχρονη Φυσική
Αρέσει σε %d bloggers: