Προχωράει η κβαντική τηλεμεταφορά

Πηγές: Science News, MSNBC 22 Ιανουαρίου 2009

Ερευνητές έχουν καταφέρει να κάνουν τηλεμεταφορά, όχι όμως του τύπου "Διακτίνισε με Scotty" της θρυλικής ταινίας Star Trek. Αντίθετα, έστειλαν πληροφορίες μεταξύ δύο μεμονωμένων ατόμων του στοιχείου υττέρβιο, που βρίσκονταν σε ξεχωριστά δοχεία 1 μέτρο μακριά. Επειδή η κβαντική πληροφορία πηδά άμεσα από το ένα άτομο στο άλλο, χωρίς ποτέ να διασχίζει τον χώρο μεταξύ των δύο ατόμων, οι επιστήμονες αυτή την μεταφορά την ονομάζουν τηλεμεταφορά.

Για πολλά χρόνια πειράματα τηλεμεταφοράς έχουν δείξει ότι οι κβαντικές καταστάσεις - για παράδειγμα, το σπιν ενός σωματιδίου ή η πόλωση ενός φωτονίου - μπορούν να τηλεμεταφερθούν με μια ποικιλία μεθόδων. Αλλά οι ερευνητές πίσω από το πιο πρόσφατο πείραμα ισχυρίζονται ότι αυτή ήταν η πρώτη φορά που η πληροφορία έχει τηλεμεταφερθεί μεταξύ δύο ξεχωριστών ατόμων σε μη συνδεδεμένα δοχεία. Οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι τα άτομα είναι καλύτερα από τα φωτόνια για την αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών μόνο και μόνο επειδή είναι ευκολότερο να διατηρηθεί σε αυτά, και πιστεύουν ότι το σύστημά τους θα μπορούσε να αξιοποιηθεί κάποτε για απαραβίαστες επικοινωνίες μεταξύ των κατασκόπων χρησιμοποιώντας την κβαντική κρυπτογράφηση, ή ακόμα και για ισχυρούς κβαντικές υπολογιστές.

Η πολύπλοκη διαδικασία της κβαντικής τηλεμεταφοράς έγινε δυνατή από αυτές τις ιδιότητες, που ο Αϊνστάιν ονόμαζε "στοιχειωμένες", των κβαντικών σωματιδίων, Μέχρι τη μέτρηση τους, ένα άτομο ή ένα φωτόνιο μπορεί να παραμείνει σε μια διφορούμενη κατάσταση όλων των δυνατών τιμών ταυτόχρονα. Όταν όμως μετρήσουμε κάποια κβαντική ιδιότητα, πχ το σπιν, το φάσμα αυτό των πιθανοτήτων "καταρρέει" σε μια μοναδική, ξεχωριστή τιμή. Η αυθεντική, μη δεσμευμένη κατάσταση έχει χαθεί, και αυτή η δυνατότητα να διατηρεί ταυτόχρονα πολλές τιμές είναι που δίνει στα κβαντικά υλικά τέτοιες δυνατότητες για υψηλές επιδόσεις.

Όπως αναφέρουν οι ερευνητές στο περιοδικό Science, ο άθλος αυτός πραγματοποιήθηκε με την αρχική απομόνωση δύο ιόντων υττερβίου σε θαλάμους κενού που απείχαν μεταξύ τους 1 μέτρο. Οι ερευνητές στη συνέχεια περιόρισαν ένα από τα ιόντα με παλμούς μικροκυμάτων, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια του ιόντος να είναι σε μια κατάσταση κβαντικής αβεβαιότητας - για να την περιγράψουν οι ερευνητές είπαν ότι οι καταστάσεις ήταν ταυτόχρονα 1 και 0. Ακολούθως οι ερευνητές  κατεύθυναν παλμούς λέιζερ διάρκειας μόλις ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου και στα δύο ιόντα, αναγκάζοντας τα να εκπέμψουν ένα φωτόνιο το καθένα. Τα μήκη κύματος, ή τα χρώματα αν θέλετε, αυτών των φωτονίων εξαρτάται από την κατάσταση που ήταν τα ηλεκτρόνια. Η διασταύρωση αυτών των φωτονίων με μία συσκευή διάσπασης των ακτίνων ενίοτε περιέπλεκε τις καταστάσεις των ηλεκτρονίων, ένα περίεργο φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική διεμπλοκή.

Οι ερευνητές αποφάνθηκαν οριστικά εάν τα φωτόνια είχαν γίνει πεπλεγμένα (entangled) με τη χρήση ενός ζεύγους ανιχνευτών που πυροδότησαν ένα συναγερμό μόνο όταν τα δύο φωτόνια ήταν σε συμπληρωματική κατάσταση. Αν ήταν, αυτό σήμαινε ότι τα ιόντα του υττερβίου επίσης ήταν πεπλεγμένα. Οι ερευνητές στη συνέχεια εξέτασαν το ιόν που είχαν περιορίσει με τους παλμούς, αναγκάζοντας το να απομακρυνθεί από την κατάσταση της κβαντικής αβεβαιότητας στην μία από τις δύο καταστάσες, 1 ή 0. Επειδή τα δύο ιόντα είναι πεπλεγμένα, γνωρίζοντας την κατάσταση του ιόντος οι ερευνητές πληροφορήθηκαν αμέσως και την κατάσταση του άλλου. Καμία πληροφορία δεν αποστέλλεται απευθείας από το ιόν Α στο Β. Αντίθετα, η κβαντική διεμπλοκή είχε χρησιμοποιηθεί για να θέσει την πληροφορία μόνο στο ιόν Α και την ξαναπήραν μέσω του ιόντος B.

Υπάρχει ωστόσο πολύς δρόμος ακόμη πριν πάμε από την εν λόγω απλοϊκή τεχνολογία σε πρακτικές εφαρμογές. Το κύριο πρόβλημα είναι ότι τα φωτόνια από τα ιόντα του υττερβίου φθάνουν στα καλώδια οπτικών ινών μόνο μία φορά για κάθε 100 εκατομμύρια προσπάθειες - περίπου μία φορά κάθε δέκα λεπτά. "Ενέχει πολύ δυσκολία," λέει ο φυσικός Paul Kwiat.

"Είναι περίπλοκο," παραδέχεται ένας από τους συμμετέχοντες στο πείραμα Chris Monroe. Χρειάστηκαν τρεις εβδομάδες συνεχούς παρακολούθησης από φοιτητές του πειράματος για να συγκεντρωθούν τα απαραίτητα στοιχεία για αυτή την εργασία. Ωστόσο, όταν τα φωτόνια βρήκαν τον δρόμο τους μέσα στο καλώδιο, το ποσοστό της επιτυχίας για το υπόλοιπο μέρος της διαδικασίας ήταν ένα εντυπωσιακό 90%.

Τέλος, οι επιστήμονες θεωρούν ότι τα φωτόνια είναι ιδανικά για την ταχεία μεταφορά πληροφοριών σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, ενώ τα άτομα είναι ιδανικά για την αξιοποίησή τους σε κβαντικές μνήμες μεγάλης χρονικής διάρκειας. Η νέα τεχνική της αμερικανικής ομάδας συνδυάζει τις δύο μεθόδους, χρησιμοποιώντας τόσο φωτόνια όσο και άτομα, κάτι που προσδοκάται ότι θα αποτελέσει τη βάση για ένα νέο τύπο "κβαντικού Ίντερνετ".

Με την διεμπλοκή (entanglemen) οι υποστηρικτές της πιστεύουν πως γεγονότα που συμβαίνουν εδώ μπορούν να επηρεάσουν γεγονότα σε ένα άλλο σημείο που μπορεί να είναι πολύ απομακρυσμένο από το πρώτο. Έτσι, η κβαντική διεμπλοκή επιτρέπει σε δύο σωματίδια να συμπεριφέρονται ως ένα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται. Με αυτό τον τρόπο, δύο κβαντικά σωματίδια που είχαν κάποτε αλληλεπιδράσει και συσχετίζονται ορισμένες ιδιότητες τους πχ το σπιν τους, διατηρούν το συσχετισμό τους όσο μακριά κι αν βρίσκονται, μέχρις ότου γίνει κάποια μέτρηση ή παρατήρηση σε ένα από αυτά τα σωματίδια. Τότε καταστρέφεται και η διεμπλοκή τους.