Αρθρο 25-Απριλίου-2001

Το πρώτο πείραμα τηλεμεταφοράς του 1993

Πριν από μερικά χρόνια (το 1993), μια διεθνής ομάδα έξι επιστημόνων από τις ΗΠΑ, Καναδά, Ισραήλ (C.Bennett της IBM, R.Jozsa, W.Wootters,  G.Brassard, C.Crepeau, A.Peres), επιβεβαίωσαν τις διαισθήσεις της πλειοψηφίας των συγγραφέων επιστημονικής φαντασίας καταφέρνοντας να δείξουν ότι η τέλεια τηλεμεταφορά είναι πράγματι δυνατή σε γενικές γραμμές, αλλά μόνο εάν το αρχικό αντικείμενο καταστρέφεται, και χρησιμοποιώντας, μια παράξενη ιδιότητα της κβαντικής μηχανικής, την συσχέτιση.

Οι έξι πιό πάνω επιστήμονες, βρήκαν έναν τρόπο για να πραγματοποιήσουν το πολυσυζητημένο φαινόμενο της τηλεμεταφοράς, με τη βοήθεια της ίδιας της κβαντομηχανικής, χρησιμοποιώντας ένα πολυσυζητημένο παράδοξο φαινόμενο της κβαντομηχανικής, γνωστό ως φαινόμενο Einstein - Podolsky - Rosen. Εν συντομία, βρήκαν έναν τρόπο να ανιχνευθεί-αναλυθεί ένα μέρος των πληροφοριών από ένα αντικείμενο Α, το οποίο κάποιος θα ήθελε να τηλεμεταφέρει, ενώ συγχρόνως προκαλείται το πέρασμα πληροφορίας, μέσω του φαινομένου Einstein-Podolsky-Rosen, σε ένα άλλο αντικείμενο C, το οποίο δεν έχει έλθει ποτέ σε επαφή με το αντικείμενο Α. Αργότερα, με κατάλληλη επεξεργασία του C ανάλογα με τις ανιχνευθείσες πληροφορίες, είναι δυνατό να οδηγηθεί με κατάλληλους μηχανισμούς το αντικείμενο C ακριβώς στην ίδια κατάσταση, όπως ήταν το Α προτού αυτό αναλυθεί. 

Στην κβαντική τηλεμεταφορά δύο αντικείμενα B και C φέρονται  αρχικά σε επαφή (συσχετίζονται) και έπειτα διαχωρίζονται. Το αντικείμενο Β λαμβάνεται στο σταθμό αποστολής, ενώ το αντικείμενο C λαμβάνεται στο σταθμό-παραλήπτη.
Στον σταθμό αποστολής το αντικείμενο Β, ανιχνεύεται-διαβάζεται  μαζί με το αρχικό-πρωτότυπο αντικείμενο Α, το οποίο επιθυμούμε να τηλεμεταφέρουμε, αποκομίζοντας κάποιες πληροφορίες ενώ καταστρέφεται εντελώς η κβαντική κατάσταση του Α και του Β. Οι ανιχνευθείσες πληροφορίες αποστέλλονται στο σταθμό λήψης, όπου χρησιμοποιούνται για να επεξεργαστεί κατάλληλα το αντικείμενο C, και με αυτόν τον τρόπο καθιστούμε το C,  ένα ακριβές αντίγραφο του πρωτότυπου Α.

Σε αυτό το σχήμα, συγκρίνεται η συμβατική μετάδοση αντιγράφων (τηλεμοιοτυπία), με την κβαντική τηλεμεταφορά. Στη συμβατική μετάδοση αντιγράφων το αρχικό αντικείμενο ανιχνεύεται-εξετάζεται, εξάγοντας μερικές πληροφορίες από αυτό, αλλά παραμένει αρκετά άθικτο μετά από αυτή τη διαδικασία ανίχνευσης.
Οι ανιχνευμένες πληροφορίες στέλνονται στον δέκτη - σταθμό, όπου αποτυπώνεται σε κάποια πρώτη ύλη (π.χ. έγγραφο), για να παραχθεί ένα κατά προσέγγιση αντίγραφο του αρχικού.

Και η εξήγηση

Υποθέστε πως έχουμε ένα ζευγάρι, την Alice και τον Bob, που επιθυμούν να αντιγράψουν ένα φωτόνιο. Η Alice δεν μπορεί να υπολογίσει -μετρήσει- τις ιδιότητες του φωτονίου της και να στείλει τα αποτελέσματα στον Bob,, επειδή θα καταστρεφόταν με την μέτρηση μερικές από τις αναγκαίες πληροφορίες που θα χρειαζόταν ο Bob. Ευτυχώς, η κβαντική θεωρία έχει έναν λεπτότερο τρόπο επικοινωνίας. Ένα πρόσθετο ζευγάρι "πεπλεγμένων" ή "συσχετισμένων" φωτονίων ανοίγει το κανάλι της τηλεμεταφοράς μεταξύ της Alice και του Bob.

Ο όρος συσχέτιση εισήχθη από το Γερμανό φυσικό Erwin Schroedinger, την δεκαετία του 1930, και έχει αποτελέσει αντικείμενο φιλοσοφικής διαμάχης για την φύση του κβαντικού κόσμου. Ετσι η διάσημη διαμάχη μεταξύ του Einstein και του Bohr, οφειλόταν στην έννοια της συσχέτισης.  Κατά την κβαντική μηχανική ένα ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε μια υπερθεση καταστάσεων, δηλαδή σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα, μέχρι να πραγματοποιηθεί μια μέτρηση, η οποία αναγκάζει το σωματίδιο να καταλάβει μια συγκεκριμμένη κατάσταση.

Σύμφωνα με τη κβαντική θεωρία, μπορείτε να συσχετίσετε ένα ζευγάρι φωτονίων έτσι ώστε οι ιδιότητές τους να συνδέονται αναπόσπαστα. Αυτό ισχύει ακόμα κι αν τα στέλνατε στις αντίθετες άκρες της Γης. Μετρήστε το ένα από τα συσχετισμένα φωτόνια στο Βόρειο Πόλο και καθορίζετε αμέσως την κατάσταση του άλλου φωτονίου στο Νότιο Πόλο.

Η Alice έχει ένα φωτόνιο, που χωρίς να το μετρήσει (ώστε να μην καταστρέψει τις ιδιότητες του), θέλει να το τηλεμεταφέρει στον Bob. Κατ' αρχάς, δημιουργεί ένα ζευγάρι συνδεμένων EPR φωτονίων, κρατώντας το ένα μαζί της, ενώ το άλλο το στέλνει μακριά στον Bob. Κανονίζει έπειτα για το αμέτρητο φωτόνιό της να αλληλεπιδράσει με ένα από τα δύο EPR  φωτόνια, (αυτό που κράτησε) και μετρά το αποτέλεσμα εκείνης της αλληλεπίδρασης, και τότε στέλνει το αποτέλεσμα αυτό προς τον Bob με ένα ντεμοντέ τρόπο -- με τηλέφωνο, ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, fax ή με ένα μεταφορέα.

Και τώρα το μυστήριο μέρος. Ο Bob λαμβάνει το μήνυμα της Alice, και ανάλογα με αυτό που λέει το μήνυμα, εκτελεί κάποια προσχεδιασμένη λειτουργία στο EPR φωτόνιο του-- που είναι το έτερον ήμισυ του πεπλεγμένου ζευγαριού που η Alice δημιούργησε. Παραδείγματος χάριν, αυτός μπορεί να αλλάξει την πόλωση του φωτονίου του κατά ένα ποσό που εξαρτάται από τις πληροφορίες που η Alice του έστειλε. Στο τέλος αυτής της διαδικασίας, το φωτόνιο του Bob έχει γίνει ένα ακριβές αντίγραφο του αρχικού 'αμέτρητου' φωτονίου της Alice. Η κβαντική κατάσταση εκείνου του φωτονίου -- και  όχι ίδιο το φωτόνιο -- τηλεμεταφέρθηκε από την Alice στον Bob.

Για να επαναδημιουργήσετε το φωτόνιο -- στην τηλεμεταφορά -- πρέπει να διαβιβάσετε δύο είδη πληροφοριών για την κατάστασή του. Ένα είδος είναι οι συνηθισμένες, καθημερινές πληροφορίες. Αυτό είναι και το εύκολο μέρος. Μπορείτε να κάνετε μετρήσεις και να στείλετε τις λεπτομέρειες μέσα από μια συνηθισμένη διαδρομή.
Αλλά τι γίνεται με τις κβαντικές πληροφορίες -- η ουσία που εξαφανίζεται όταν κάνετε τη μέτρησή σας; Το τέχνασμα στη διαβίβαση αυτής της κβαντικής πληροφορίας βρίσκεται στη μυστική, σαν φάντασμα (spooky ήταν η λέξη που έλεγε και ο Einstein) σύνδεση μεταξύ των φωτονίων EPR της Alice και του Bob . Με το να πείσει το άγνωστο φωτόνιό της να αλληλεπιδράσει με το φωτόνιο EPR της , η Alice έκανε το EPR φωτόνιο του Bob , το άλλο μισό του πεπλεγμένου ζευγαριού, να αλληλεπιδράσει με το άγνωστο φωτόνιο επίσης.

Μέσω του φαντάσματος EPR καναλιού, ο Bob επομένως λαμβάνει κάποια παράξενη, κβαντική πληροφορία για την κατάσταση του φωτονίου που η Alice θέλει να τηλεμεταφέρει. Αν και αυτή δεν είναι όλη η ιστορία, επειδή η Alice πρέπει επίσης να μετρήσει κάτι για την αλληλεπίδραση των δύο φωτονίων της, και να στείλει το αποτέλεσμα στον Bob. Αλλά εάν όλα  γίνουν σωστά, ο Bob λαμβάνει έναν συνδυασμό spooky κβαντικών πληροφοριών και σαφών γνωστού τύπου κλασσικών πληροφοριών που επιτρέπουν σε αυτόν να αναπαραγάγει το αρχικά άγνωστο φωτόνιο της Alice.