Το μεγάλο βήμα για την κβαντική τηλεμεταφορά δεν θα μας φέρει πιο κοντά στο Star Trek. Να γιατί

Δύο ομάδες σημείωσαν νέα ρεκόρ απόστασης για την κβαντική τηλεμεταφορά:χρησιμοποιώντας το παράξενο της κβαντικής μηχανικής για να μεταφέρουν άμεσα την κατάσταση ή την «κατάσταση» ενός κβαντικού σωματιδίου σε ένα άλλο σε διαφορετική τοποθεσία. Η μία ομάδα χρησιμοποίησε το τέχνασμα για να στείλει την κατάσταση ενός κβαντικού σωματιδίου φωτός, ή φωτονίου, 6,2 χιλιόμετρα στο Κάλγκαρι του Καναδά, χρησιμοποιώντας μια οπτική ίνα, ενώ η άλλη τηλεμεταφέρει τις καταστάσεις των φωτονίων πάνω από 14,7 χιλιόμετρα στη Σαγκάη της Κίνας.

Και οι δύο πρόοδοι, που αναφέρθηκαν σήμερα στο Nature Photonics, θα μπορούσαν τελικά να οδηγήσουν σε ένα κβαντικό Διαδίκτυο που δεν μπορεί να παραβιαστεί. Αλλά σε τι άλλο είναι καλή η κβαντική τηλεμεταφορά; Και θα μπορέσουμε ποτέ να το χρησιμοποιήσουμε για ανώδυνα φερμουάρ για να εργαστούμε ένα παγωμένο πρωινό του Ιανουαρίου;

Πότε αυτό το υλικό θα μας επιτρέψει να ταξιδέψουμε με τηλεμεταφορά;

Συγγνώμη για την απογοήτευση, αλλά η απάντηση δεν είναι ποτέ. Παρά το όνομά της, η κβαντική τηλεμεταφορά δεν έχει καμία σχέση με τον τύπο της τηλεμεταφοράς που απεικονίζεται στην τηλεοπτική εκπομπή Star Trek και άλλες ιστορίες επιστημονικής φαντασίας. Τέτοια τηλεμεταφορά γενικά περιλαμβάνει την αποσύνθεση ενός υλικού αντικειμένου, την κατά κάποιον τρόπο ακτινοβολία του περιεχομένου μέσω του χώρου και την άμεση και τέλεια επανασυναρμολόγηση του αντικειμένου σε κάποια μακρινή τοποθεσία. Στην κβαντική τηλεμεταφορά, τίποτα δεν αποσυντίθεται και επανασυναρμολογείται και όποια ύλη ταξιδεύει οπουδήποτε. Επιπλέον, η διαδικασία λειτουργεί μόνο σε επίπεδο μεμονωμένων κβαντικών σωματιδίων:φωτόνια, ηλεκτρόνια, άτομα κ.λπ. Η μεγάλη και η σύντομη, η κβαντική τηλεμεταφορά και η «πραγματική» τηλεμεταφορά δεν έχουν τίποτα κοινό εκτός από το όνομα.

Αλλά αν η κβαντική τηλεμεταφορά δεν κινεί τα πράγματα, τότε τι κάνει;

Σε σύγκριση με την αποστολή μιας φιλοξενούμενης ομάδας στην επιφάνεια ενός πλανήτη, η κβαντική τηλεμεταφορά στοχεύει να κάνει κάτι πολύ λιγότερο φιλόδοξο και πολύ πιο λεπτό. Η κβαντική τηλεμεταφορά μεταφέρει αμέσως την κατάσταση ή την «κατάσταση» ενός κβαντικού σωματιδίου σε ένα άλλο μακρινό χωρίς να στείλει το ίδιο το σωματίδιο. Είναι λίγο σαν να μεταφέρετε την ένδειξη ενός ρολογιού σε ένα μακρινό.

Τι είναι τόσο εντυπωσιακό να διαβάζεις ένα ρολόι και να ρυθμίζεις το δεύτερο με τον ίδιο τρόπο;

Η κβαντική κατάσταση ενός σωματιδίου όπως ένα φωτόνιο είναι πιο περίπλοκη και πολύ πιο λεπτή από την ανάγνωση ενός ρολογιού. Ενώ μπορείτε απλά να διαβάσετε το ρολόι και μετά να ρυθμίσετε το άλλο ρολόι στην ίδια ώρα, γενικά δεν μπορείτε να μετρήσετε την κατάσταση ενός κβαντικού σωματιδίου χωρίς να το αλλάξετε. Και δεν μπορείτε απλά να «κλωνοποιήσετε» την κατάσταση ενός κβαντικού σωματιδίου σε ένα άλλο. Οι κανόνες της κβαντικής μηχανικής δεν το επιτρέπουν. Αντίθετα, αυτό που πρέπει να κάνετε είναι να βρείτε έναν τρόπο να μεταφέρετε την κατάσταση ενός κβαντικού σωματιδίου σε ένα άλλο χωρίς να μετρήσετε ποτέ αυτή την κατάσταση. Για να συνεχίσετε με την αναλογία του ρολογιού, είναι σαν να μεταφέρετε τη ρύθμιση του ενός ρολογιού στο άλλο χωρίς να κοιτάξετε ποτέ το πρώτο ρολόι.

Πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει;

Είναι λίγο περίπλοκο. Για να πάρετε μια αίσθηση γι 'αυτό, πρέπει να γνωρίζετε κάτι για τις κβαντικές καταστάσεις. Θεωρήστε ένα μόνο φωτόνιο. Ένα φωτόνιο είναι ένα θεμελιώδες κομμάτι ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος, επομένως μπορεί να «πολωθεί» έτσι ώστε το ηλεκτρικό του πεδίο να δείχνει κάθετα ή οριζόντια. Χάρη στο παράξενο της κβαντικής μηχανικής, το φωτόνιο μπορεί επίσης να βρίσκεται και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα — έτσι το φωτόνιο μπορεί κυριολεκτικά να πολωθεί τόσο κατακόρυφα όσο και οριζόντια ταυτόχρονα. Οι ποσότητες κάθετης και οριζόντιας βοηθούν στον καθορισμό της κατάστασης του φωτονίου.

Αλλά γίνεται ακόμα πιο περίπλοκο από αυτό. Εκτός από το μείγμα κατακόρυφου και οριζόντιου, η κατάσταση του φωτονίου ορίζεται από μια δεύτερη παράμετρο, η οποία είναι ένα είδος γωνίας που ονομάζεται "φάση". Άρα η πραγματική κατάσταση του φωτονίου αποτελείται τόσο από το μείγμα κατακόρυφου και οριζόντιου όσο και από τη φάση. Μπορεί να οπτικοποιηθεί με τη βοήθεια μιας αφηρημένης σφαίρας ή σφαίρας, στην οποία ο βόρειος πόλος αντιπροσωπεύει την καθαρή κατακόρυφη κατάσταση και ο νότιος πόλος για την οριζόντια όψιμη κατάσταση.

Η ακριβής κατάσταση του φωτονίου είναι τότε ένα σημείο στη σφαίρα, με το γεωγραφικό πλάτος να δίνει την ισορροπία κατακόρυφου και οριζόντιου στην κατάσταση και το γεωγραφικό μήκος να δίνει τη φάση. Έτσι, για παράδειγμα, κάθε σημείο στον ισημερινό αντιπροσωπεύει μια κατάσταση στην οποία το φωτόνιο βρίσκεται σε ένα ίσο μείγμα κατακόρυφου και οριζόντιου, αλλά στην οποία η φάση, η οποία μπορεί να διερευνηθεί σε ορισμένες πιο περίπλοκες μετρήσεις, είναι διαφορετική.

Λοιπόν, γιατί δεν μπορείτε να διαβάσετε το σημείο από τον κόσμο;

Δεν μπορείτε γιατί οι μετρήσεις των κβαντικών σωματιδίων παρέχουν μόνο περιορισμένες πληροφορίες. Δεδομένου ενός φωτονίου σε κάποια άγνωστη κατάσταση, δεν μπορείτε να ρωτήσετε ποιες είναι οι "συντεταγμένες" της κατάστασης στον πλανήτη. Αντίθετα, πρέπει να εκτελέσετε μια μέτρηση είτε/ή. Το πιο απλό θα ήταν:Είναι το φωτόνιο πολωμένο κατακόρυφα ή οριζόντια; Αυτή η μέτρηση θα δώσει το ένα ή το άλλο αποτέλεσμα με πιθανότητες που εξαρτώνται από την ακριβή μίξη κάθετου και οριζόντιου στην κατάσταση. Αλλά δεν θα σου πει τη φάση. Και θα «καταρρεύσει» την αρχική κατάσταση, έτσι ώστε το φωτόνιο να μείνει στραμμένο προς τον έναν ή τον άλλο πόλο, σε μια κατάσταση που είναι είτε καθαρά κάθετη είτε οριζόντια. Αυτή η διαταραχή της αρχικής κατάστασης είναι αναπόφευκτη στην κβαντική θεωρία.

Αλλά αν δεν μπορείτε να μετρήσετε την ακριβή κατάσταση του φωτονίου, πώς το μεταφέρετε;

Χρειάζεστε περισσότερα φωτόνια και άλλο ένα περίεργο κομμάτι της κβαντικής μηχανικής. Δύο φωτόνια μπορούν να συνδεθούν μέσω μιας ανεπαίσθητης σύνδεσης που ονομάζεται «μπλέκωμα». Όταν δύο φωτόνια μπλέκονται, η κατάσταση κάθε φωτονίου είναι εντελώς αβέβαιη, αλλά οι δύο καταστάσεις συσχετίζονται. Έτσι, στην αφηρημένη υδρόγειά μας, η θέση κάθε φωτονίου παραμένει εντελώς απροσδιόριστη - κυριολεκτικά δείχνει προς κάθε κατεύθυνση ταυτόχρονα. Όμως, παρά αυτή την αβεβαιότητα, οι καταστάσεις των δύο φωτονίων μπορούν να συσχετιστούν έτσι ώστε να είναι εγγυημένο ότι είναι, ας πούμε, πανομοιότυπες. Δηλαδή, αν κάνατε μια φανταχτερή μέτρηση που κατέρρευσε ένα φωτόνιο προς την κατεύθυνση της υδρόγειάς μας 40º βόρεια, 80º δυτικά, θα ξέρατε ότι το δεύτερο θα κατέρρεε αμέσως στην ίδια κατάσταση, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι. Τέτοια ζεύγη είναι ζωτικής σημασίας για την κβαντική τηλεμεταφορά.

Ετσι δουλευει. Ας υποθέσουμε ότι έχετε δύο άτομα, την Αλίκη και τον Μπομπ, με έναν τρίτο, τον Τσάρλι, στη μέση. Η Αλίκη ετοιμάζει ένα φωτόνιο που θέλει να τηλεμεταφέρει—δηλαδή θέτει τη θέση του στην αφηρημένη υδρόγειο. Το στέλνει μια οπτική ίνα στον Τσάρλι. Ταυτόχρονα, ο Τσάρλι ετοιμάζει ένα ζευγάρι μπλεγμένα φωτόνια. Κρατάει το ένα και στέλνει το δεύτερο στον Μπομπ.

Τώρα, εδώ είναι το δύσκολο κομμάτι. Όταν ο Τσάρλι λαμβάνει το φωτόνιο της Αλίκης, μπορεί να το πάρει και αυτό που έχει κρατήσει και να κάνει έναν συγκεκριμένο τύπο "κοινής" μέτρησης και στα δύο. Επειδή οι κβαντικές μετρήσεις καταρρέουν τις καταστάσεις των φωτονίων, η μέτρηση του Τσάρλι στην πραγματικότητα αναγκάζει αυτά τα δύο φωτόνια σε μια μπερδεμένη κατάσταση. (Η μέτρηση του Τσάρλι θέτει στην πραγματικότητα την ερώτηση είτε/ή:Είναι τα φωτόνια σε μια συγκεκριμένη κατάσταση εμπλοκής ή σε συμπληρωματική;)

Αλλά μόλις ο Τσάρλι κάνει τη μέτρηση εμπλοκής στα δύο φωτόνια που έχει - αυτό που πήρε από την Αλίκη και αυτό που κράτησε από το αρχικό μπλεγμένο ζεύγος - συμβαίνει ένα εντυπωσιακό πράγμα. Το φωτόνιο που έστειλε στον Μπομπ καταρρέει αμέσως στην κατάσταση του αρχικού φωτονίου της Αλίκης. Δηλαδή, η ρύθμιση της σφαίρας του φωτονίου της Αλίκης έχει τηλεμεταφερθεί στο φωτόνιο του Μπομπ ακόμα κι αν ο Μπομπ απέχει χιλιόμετρα από τον Τσάρλι—όπως ήταν σε αυτά τα δύο πειράματα.

Αλλά γιατί συμβαίνει αυτό;

Το πείραμα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τους συσχετισμούς που είναι εγγενείς στη διαπλοκή. Πέρα από αυτό, για να δείτε γιατί η κατάσταση του φωτονίου της Αλίκης καταλήγει να μεταφέρεται στο του Μπομπ, πρέπει λίγο πολύ να επιστρέψετε και να δουλέψετε με τα μαθηματικά. Μόλις εξοικειωθείτε με τη σημειογραφία, οποιοσδήποτε έχει κάνει άλγεβρα γυμνασίου μπορεί να κάνει τον υπολογισμό. Αυτό είναι ένα από τα πράγματα για τα οποία είναι καλή η άλγεβρα.

Αυτό έκαναν στην πραγματικότητα οι φυσικοί;

Κλείσε. Η μόνη διαφορά είναι ότι χρησιμοποίησαν δύο ελαφρώς διαφορετικούς χρόνους άφιξης για τις βασικές καταστάσεις των φωτονίων, όχι διαφορετικές πολώσεις. Το δύσκολο μέρος των πειραμάτων ήταν η εγγύηση ότι τα δύο φωτόνια που στάλθηκαν στον Μπομπ έφτασαν την ίδια γενική στιγμή και ήταν πανομοιότυπα σε χρώμα και πόλωση. Αν ήταν διακριτά, τότε το πείραμα δεν θα λειτουργούσε. Αυτές ήταν οι τεχνικές προκλήσεις για την τηλεμεταφορά σε τόσο μεγάλες αποστάσεις.

Λοιπόν, σε τι μπορεί να είναι αυτό;

Παρόλο που είναι αφηρημένο, η κβαντική τηλεμεταφορά θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός κβαντικού Διαδικτύου. Αυτό θα ήταν όπως το σημερινό Διαδίκτυο, αλλά θα επέτρεπε στους χρήστες να μεταφέρουν κβαντικές καταστάσεις και τις πληροφορίες που περιέχουν αντί για κλασικές πληροφορίες, που είναι ουσιαστικά σειρές από 0 και 1.

Επί του παρόντος, φυσικοί και μηχανικοί έχουν δημιουργήσει μερικώς κβαντικά δίκτυα στα οποία μπορούν να σταλούν ασφαλή μηνύματα μέσω οπτικών ινών. Αυτές οι τεχνολογίες λειτουργούν χρησιμοποιώντας μεμονωμένα φωτόνια για τη διανομή των αριθμητικών κλειδιών για το κλείδωμα και το ξεκλείδωμα των κωδικοποιημένων μηνυμάτων. Εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι ένας κρυφάκος δεν μπορούσε να μετρήσει αυτά τα φωτόνια χωρίς να τα ενοχλήσει και να αποκαλύψει την παρουσία του. Αλλά αυτή τη στιγμή, αυτά τα δίκτυα δεν είναι πλήρως κβαντομηχανικά, καθώς το μήνυμα πρέπει να αποκωδικοποιηθεί και να κωδικοποιηθεί σε κάθε κόμβο του δικτύου, καθιστώντας τους κόμβους επιρρεπείς σε πειρατεία.

Με την κβαντική τηλεμεταφορά, οι φυσικοί και οι μηχανικοί μπορεί να είναι σε θέση να δημιουργήσουν μια σύνδεση εμπλοκής μεταξύ απομακρυσμένων κόμβων σε ένα δίκτυο. Κατ' αρχήν, αυτό θα επέτρεπε στους χρήστες σε αυτούς τους κόμβους να περάσουν κωδικοποιημένα μηνύματα που δεν θα μπορούσαν να αποκωδικοποιηθούν σε ενδιάμεσους κόμβους και ουσιαστικά δεν θα μπορούσαν να παραβιαστούν. Και αν οι φυσικοί καταφέρουν ποτέ να κατασκευάσουν έναν κβαντικό υπολογιστή γενικής χρήσης - ο οποίος θα χρησιμοποιούσε "qubits" που μπορούν να ρυθμιστούν σε 0, 1 ή και στα δύο 0 και 1 για να κάνουν συγκεκριμένους υπολογισμούς που κατακλύζουν έναν συμβατικό υπολογιστή - τότε ένα τέτοιο κβαντικό δίκτυο μπορεί να επιτρέπει στους χρήστες να φορτώνουν τις αρχικές ρυθμίσεις του υπολογιστή από απομακρυσμένα τερματικά.

Πότε θα συμβεί αυτό;

Ποιός ξέρει? Αλλά ένα κβαντικό διαδίκτυο φαίνεται πιθανό να εμφανίζεται πολύ νωρίτερα από έναν κβαντικό υπολογιστή γενικής χρήσης.

Ε. Δροσερός! Αλλά δεν υπάρχει δέσμη για να λειτουργήσει κατά τη διάρκεια του χειμώνα;

Λυπούμαστε, θα πρέπει ακόμα να μαζευτείτε και να αντιμετωπίσετε το κρύο.