Οι φυσικοί τηλεμεταφέρουν κβαντικά bits πληροφορίας σε απόσταση δύο χιλιομέτρων

Από την ιστοσελίδα του National Geographic, 29 Ιανουαρίου 2003

Οι θαυμαστές του Star Treck επιθυμούν η τεχνολογία του, αυτή που επιτρέπει να μεταφερθούν πρόσωπα και πράγματα από τον ένα γαλαξία σε έναν άλλο ακαριαία, να γίνει σύντομα πραγματικότητα. Η τεχνολογία αυτή είναι γνωστή στους επιστήμονες ως τηλεμεταφορά. Και μεταφέρει τις υλικές ιδιότητες ενός αντικειμένου σε μια άλλη θέση καθώς τις ακριβείς λεπτομέρειες του σχηματισμού του στην θέση όπου αναδημιουργείται.

Η κβαντική τηλεμεταφορά από την άλλη είναι η μεταφορά των bits, που λέγονται κβαντικά bits ή qubits, από τη μια θέση σε άλλη. Η τεχνολογία αναφέρεται ως ένας τύπος τηλεμεταφοράς επειδή οι πληροφορίες που μεταφέρονται συμπεριφέρονται περισσότερο όπως ένα αντικείμενο παρά κανονικές πληροφορίες.

Οι κβαντικές όμως πληροφορίες δεν μπορούν να αντιγραφούν και δεν μπορούν να εμφανιστούν στη νέα θέση χωρίς να καταστραφούν στην παλιά τους θέση, σύμφωνα με ένα φυσικό, τον William Wootters, του κολλεγίου Ουίλιαμς στο Williamstown της Μασαχουσέτης. Ο Wootters το 1993 έγραψε μια θεωρία για την κβαντική τηλεμεταφορά.

Οι επιστήμονες επεξεργάζονται τις κβαντικές πληροφορίες σαν να ήταν ένα αντικείμενο. Το γεγονός ότι οι πληροφορίες δεν μπορούν να μεταβιβαστούν χωρίς πρώτα να καταστραφούν διαφοροποιεί την κβαντική τηλεμεταφορά από την αποστολή με φαξ ενός εγγράφου, που κάνει ένα ανακριβές αντίγραφο του αρχικού σε μια άλλη θέση και αφήνει άθικτο το αρχικό.

Δεδομένου ότι ο Wootters δημοσίευσε το έγγραφό του το 1993, οι επιστήμονες έχουν εργαστεί για να αποδείξουν ότι η θεωρία είναι σωστή.

Μεταφορά σε απόσταση δύο χιλιομέτρων

Η πιο πρόσφατη επιτυχία τηλεμεταφοράς αναφέρθηκε από μια ομάδα φυσικών, με επικεφαλής τον Nicolas Gisin, από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης στο περιοδικό Nature στις 30 Ιανουαρίου 2003.

"Κάναμε την πρώτη πειραματική, μεγάλης απόστασης, επίδειξη αυτής της συναρπαστικής πτυχής της κβαντομηχανικής", λέει ο Nicolas Gisin, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης.

Η ομάδα του μετέφερε qubits από φωτόνια μήκους λ=1.3mm από ένα εργαστήριο, πάνω σε φωτόνια λ=1.55mm, σε ένα άλλο εργαστήριο 55 μέτρα μακριά κατά μήκος ενός καλωδίου οπτικών ινών μήκους 2 χιλιομέτρων .

Το 1997 αλλά και το 1998, οι επιστήμονες κατέδειξαν επιτυχώς την έννοια της κβαντικής τηλεμεταφοράς με τη μεταφορά δύο συστημάτων δύο διαστάσεων σε πολύ μικρές αποστάσεις, όπως από τη μια πλευρά ενός πίνακα στην άλλη. Ο Gisin και η ομάδα του αποδεικνύουν ότι η έννοια της κβαντικής τηλεμεταφοράς διατηρείται στις μεγαλύτερες αποστάσεις.

"Η εργασία του Gisin ήταν σημαντικό επίτευγμα", αναφέρει ο Samuel Braunstein, ένας καθηγητής της πληροφορικής στο Πανεπιστήμιο της Ουαλίας, που ήταν μέλος μιας ομάδας που μετέφερε φωτόνια από το ένα μέρος στο άλλο μέρος ενός πίνακα το 1998.

Διεμπλοκή ή συσχετισμός

Έως το 1993, οι επιστήμονες θεωρούσαν τη τηλεμεταφορά αδύνατη επειδή απαιτούσε να γίνει ένα ακριβές αντίγραφο κάθε ατόμου σε ένα αντικείμενο, κάτι το οποίο ήταν εναντίον της αρχής της αβεβαιότητας της κβαντομηχανικής. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, η ίδια η πράξη της μέτρησης ενός μικροσκοπικού σωματιδίου το καταστρέφει, έτσι δεν μπορεί ποτέ να γίνει ένα ακριβές αντίγραφο.

Ο Wootters και οι συνάδελφοί του έδειξαν όμως ότι το πρόβλημα πρέπει  να στηριχθεί στην έννοια της διεμπλοκής, ένας τομέας της φυσικής στον οποίο Αλβέρτος Einstein αναφέρθηκε ως την "στοιχειωμένη δράση σε μια απόσταση."

"Εάν δύο σωματίδια είναι πεπλεγμένα, ενεργούν κατά κάποιον τρόπο σαν ήταν ένα ενιαίο αντικείμενο", αναφέρει ο Wootters. Όλα που συμβαίνουν σε ένα σωματίδιο από το πεπλεγμένο ζεύγος έχουν επιπτώσεις αμέσως και στο άλλο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι το κάθε ένα πεπλεγμένο σωματίδιο από το άλλο.

Ο Braunstein παρομοιάζει την διεμπλοκή με "ένα ζευγάρι ιδανικών εραστών που ξέρουν ο ένας τον άλλον τόσο καλά που θα μπορούσαν να απαντήσουν για το τι κάνει ο εραστής τους ακόμα κι αν είναι χωρισμένοι σε μεγάλες αποστάσεις."

Τα πεπλεγμένα ζευγάρια δημιουργούνται με τη λήψη ενός φωτονίου και τη μετατροπή του σε ένα ζεύγος που απομακρύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Με το να γίνει το φωτόνιο μέλος του πεπλεγμένου ζεύγους, το φωτόνιο επιβάλλεται στιγμιαία στο άλλο μέλος του πεπλεγμένου ζεύγους.

Αυτό, λένε οι επιστήμονες, είναι κβαντική τηλεμεταφορά, ακόμα κι αν μια ακριβής μέτρηση του αντικειμένου δεν έγινε ποτέ.

Εφαρμογές

Οι επιστήμονες θεωρούν ότι αυτή η τεχνολογία έχει πρακτικές εφαρμογές στον τομέα του κβαντικού υπολογισμού και της κβαντικής κρυπτογραφίας, μιας τεχνολογίες που υπόσχεται γρήγορους και ασφαλείς υπολογιστές.

"Οι πιθανές εφαρμογές αφορούν την επικοινωνία μεταξύ των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών και επίσης μεταξύ των πυλών μέσα σε έναν μεμονωμένο κβαντικό υπολογιστή", λέει ο Anton Zeilinger, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης στην Αυστρία που ήταν μέρος της ομάδας που επέτυχε τη κβαντική τηλεμεταφορά το 1997.

Ο Wootters εξήγησε ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να επιτρέψει στους υπολογιστές να στείλουν τον κώδικα για να ξεκλειδώσει μυστικά μηνύματα μεταξύ τους χωρίς το φόβο ενός άλλου υπολογιστή που θα υποκλέψει τον κώδικα.

Εντούτοις, τα ταξίδια τύπου Star Treck μπορούν να περιμένουν.