Η επιτάχυνση διακόπτει την κβαντική τηλεμεταφορά

Από την ιστοσελίδα Physics News Update, Νοέμβριος 2003

Μια νέα μελέτη από τον Paul Alsing του πανεπιστημίου του Νέου Μεξικού, δείχνει ότι η επιτάχυνση διακόπτει την κβαντική τηλεμεταφορά. Κατά την κβαντική τηλεμεταφορά, οι ερευνητές δημιουργούν ένα ζεύγος σωματιδίων (π.χ. φωτονίων) και τα αναγκάζουν να αλληλεπιδρούν έτσι ώστε να συσχετιστούν οι ιδιότητές τους (μια διαδικασία που λέγεται διεμπλοκή). 

Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, η τηλεμεταφορά δεν αντιμετωπίστηκε σοβαρά από τους επιστήμονες, επειδή θεωρήθηκε πως παραβιάζει την αρχή της αβεβαιότητας της κβαντομηχανικής (Heisenberg), η οποία απαγορεύει την γνώση της ακριβούς θέσης και ορμής ενός σωματιδίου ταυτόχρονα. Άρα η οποιαδήποτε μέτρηση ή ανιχνευτική διαδικασία ενός ατόμου ή άλλου αντικειμένου θα εμπεριέχει σφάλματα, και δεν θα επιτρέπει έτσι την ακριβή μεταφορά όλων των πληροφοριών (θέσης, ταχύτητας, ορμής, ενέργειας) σε νέα θέση.

Σύμφωνα με την αρχή αβεβαιότητας, όταν ένα μικροσκοπικό αντικείμενο γίνεται στόχος ακριβούς μέτρησης, επηρεάζεται η υπόστασή του, τόσο ώστε η αρχική του εικόνα να αλλοιωθεί, και να μην μπορεί να εξαχθεί ένα ακριβές αντίγραφο του.

Αυτό βέβαια είναι ένα γερό επιχείρημα εναντίον της τηλεμεταφοράς: εάν κάποιος δεν μπορεί να εξαγάγει αρκετές πληροφορίες από ένα αντικείμενο για να κάνει ένα τέλειο αντίγραφο, πως θα έκανε τότε ένα ακριβές αντίγραφο;

Αφού η πράξη της μέτρησης ενός σωματιδίου καταστρέφει πραγματικά μερικές από τις πληροφορίες για την παλιά κατάστασή του, θα φαινόταν σχεδόν αδύνατο να αντιγράψει τέτοια σωματίδια και να τα αναπαραγάγει αλλού.

Αλλά κατά ειρωνικό τρόπο, ένα από τα παράξενα τεχνάσματα του κβαντικού κόσμου στρέφει αυτό το επιχείρημα υπέρ του. Διότι,  μπορείτε να επαναδημιουργήσετε την κβαντική κατάσταση που δεν έχει μετρηθεί -- εφ' όσον προετοιμάζεστε να θυσιάσετε το αρχικό σωματίδιο. Το τέχνασμα εκμεταλλεύεται την ίδια την αβεβαιότητα που κάνει τις κβαντικές μετρήσεις να αλλοιώνουν το μετρούμενο αντικείμενο στην αρχική θέση.

Πρώτα λοιπόν προετοιμάζεται το ζεύγος των διαπλεγμένων σωματιδίων, και στη συνέχεια, αφού τα σωματίδια ταξιδέψουν προς διαφορετική κατεύθυνση το καθένα, μπορούμε να στείλουμε το πρώτο σωματίδιο του διαπλεγμένου ζευγαριού, και ένα καινούργιο, τρίτο σωματίδιο, συγχρόνως σε ένα ανιχνευτή, και να πάρουμε μια "συνδυασμένη" μέτρηση των ιδιοτήτων των σωματιδίων (όπως είναι π.χ. οι κατευθύνσεις των ηλεκτρικών πεδίων των φωτονίων).

Η μέτρηση σύμφωνα με την αρχή της απροσδιοριστίας διαταράσσει τα σωματίδια, κι έτσι ελαττώνεται η ποσότητα της πληροφορίας που μπορεί να πάρει ένας πειραματικός φυσικός για τις ιδιότητές τους. Η μέτρηση λοιπόν παράγει μόνο μια περιορισμένη ποσότητα, συνήθους "κλασσικής" πληροφορίας. 

Επειδή όμως τα δύο διαπλεγμένα σωματίδια συνδέονται, η μέτρηση επηρεάζει επίσης τις ιδιότητες του δεύτερου διαπλεγμένου σωματιδίου που βρίσκεται πολύ μακριά. Αυτό το "μη τοπικό φαινόμενο" μπορεί να γίνει κατανοητό ως μια μεταφορά κβαντικής πληροφορίας, από το πρώτο στο δεύτερο σωματίδιο. 

Όταν ο πειραματιστής ο οποίος χειρίστηκε το πρώτο σωματίδιο συναντήσει τον πειραματιστή που χειρίστηκε το δεύτερο σωματίδιο με την περιορισμένη κλασσική πληροφορία που πέτυχε αυτός από την μέτρηση (μια διαδικασία που μπορεί να λάβει χώρα μόνο με την ταχύτητα του φωτός ή πιο μικρή από αυτήν, ) ο δεύτερος πειραματιστής έχει αρκετή πληροφορία ώστε να χειριστεί το δεύτερο σωματίδιο κατά τον κατάλληλο τρόπο ώστε να παράγει τις ακριβείς κβαντικές ιδιότητες  του (κατεστραμμένου πια) τρίτου σωματιδίου. 

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 περιορισμένες 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.

Η διαδικασία αυτή της μεταφοράς κβαντικών ιδιοτήτων μεταξύ σωματιδίων, μέσω κβαντικών μετρήσεων και κλασσικής επικοινωνίας, ακόμη και αν τα σωματίδια είναι έτη φωτός μακριά, λέγεται κβαντική τηλεμεταφορά, και στηρίζεται αποκλειστικά πάνω στο γεγονός ότι το ζευγάρι των σωματιδίων είναι "διαπλεγμένο" με βάση τους παράξενους κανόνες της κβαντικής μηχανικής.

Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι διαφορετική από την τηλεμεταφορά στην ταινία επιστημονικής φαντασίας Star Trek, κατά το ότι στην πραγματική ζωή οι φυσικοί τηλεμεταφέρουν τις ιδιότητες ενός σωματιδίου, και όχι το ίδιο το σωματίδιο. 

Ξεκινώντας από το παραπάνω παράδειγμα, μια νέα ανάλυση έχει δείξει ότι η κβαντική τηλεμεταφορά δεν θα λειτουργήσει καλά αν ο δέκτης του δεύτερου σωματιδίου έχει μια επιτάχυνση σε σχέση με το τρίτο σωματίδιο. (Συμπτωματικά τα διαστημόπλοια του Star Trek δεν τηλεμεταφέρουν όταν επιταχύνονται μέσα σε παραμορφωμένα πεδία). 

Η διακοπή της κβαντικής τηλεμεταφοράς προκύπτει από το φαινόμενο Davies-Unruh (βλέπε και το σχετικό άρθρο του περιοδικού Physical Review Focus στην ιστοσελίδα που προτείνουμε), κατά το οποίο η επιτάχυνση ακόμη και στον κενό χώρο δημιουργεί μια "δεξαμενή" θερμών σωματιδίων που προέρχονται από την ενέργεια της επιτάχυνσης. Αυτή η θερμική δεξαμενή σωματιδίων είναι που διακόπτει αναπόφευκτα τη δυνατότητα του δέκτη να αναπαράγει τέλεια (με το δεύτερο επιταχυνόμενο σωματίδιο) τις ιδιότητες του τρίτου μη επιταχυνόμενου σωματιδίου τις οποίες επιθυμούμε να τηλεμεταφέρουμε. 

Ενώ το φαινόμενο είναι μικρό για τυπικές επιταχύνσεις σε γήινα εργαστήρια, τα αποτελέσματα δείχνουν μια ενδιαφέρουσα σχέση μεταξύ της κίνησης στον χωροχρόνο και του κβαντικού κόσμου. 

Αναφορά: (Alsing and Milburn, Physical Review Letters, 31 October 2003)