Πειράματα κβαντικής τηλεμεταφοράς …

Πειράματα κβαντικής τηλεμεταφοράς …

Για τους περισσότερους από εμάς, η ιδέα της τηλεμεταφοράς παραπέμπει σε εξωτικές «πύλες», με τις οποίες οποιοδήποτε αντικείμενο, ή ακόμη και άνθρωποι, θα μπορούν να μεταβούν ακαριαία από ένα σημείο σε κάποιο άλλο. Στην πραγματικότητα, ωστόσο, στα πειράματα που κάνουν οι φυσικοί, αυτό που τηλεμεταφέρεται δεν είναι ύλη, αλλά οι ιδιότητες υποατομικών σωματιδίων ή φωτονίων.

Τα πείραμα κβαντικής τηλεμεταφοράς βασίζονται σε μία παράξενη ιδιότητα του μικρόκοσμου, που ονομάζεται κβαντική διεμπλοκή (quantum entanglement). Η ανακάλυψή της προήλθε από ένα νοητικό πείραμα που πρότειναν οι  Einstein-Podolsky-Rosen, σύμφωνα με το οποίο δύο υποατομικά σωματίδια μπορεί να συνδέονται με τέτοιο τρόπο, ώστε οποιαδήποτε αλλαγή στις ιδιότητες του ενός να επηρεάζει ταυτόχρονα την κατάσταση του δεύτερου, ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλη είναι η απόσταση που τα χωρίζει.

Η αναπαραγωγή αυτού του πολύπλοκου φαινομένου έγινε σε στάδια. Οι επιστήμονες κατάφεραν πρώτα να μεταφέρουν κβαντική πληροφορία από ένα φωτόνιο σε άλλο, ακολούθως από ιόντα σε φωτόνια και ακόμα από μία μακροσκοπική ομάδα ατόμων σε ένα φωτόνιο. Σε παλιότερα πειράματα, έχει επιτευχθεί κβαντική τηλεμεταφορά σε μεγαλύτερες αποστάσεις, με μέσο διάδοσης τον αέρα. Ενδεικτικά, το 2012 μία διεθνής ερευνητική ομάδα πέτυχε τη μεταφορά κβαντικών πληροφοριών ανάμεσα σε δύο Κανάρια Νησιά, τη Λα Πάλμα και την Τενερίφη, σε απόσταση 144 χιλιομέτρων.

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 ακρβούς θέσης και ορμής ενός σωματιδίου ταυτόχρονα. Αρα 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; Μήπως εφόσον απαγορεύεται η κβαντική αντιγραφή, η κβαντική τηλεμεταφορά είναι αδύνατη; Η απάντηση στο ερώτημα αυτό είναι η εξής: είναι δυνατό να αντιγράψουμε μια κβαντική κατάσταση μόνο αν είμαστε διατεθειμένοι να την καταστρέψουμε.

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 που συνδυάζει τις δύο μεθόδους, χρησιμοποιώντας τόσο φωτόνια όσο και άτομα, προσδοκάται ότι θα αποτελέσει τη βάση για ένα νέο τύπο «κβαντικού Ίντερνετ».

Ο κβαντικός υπολογιστής (Quantum computing), στηρίζεται στην κβαντική τηλεμεταφορά για δημιουργία των κβαντικών πυλών λογικής που επεξεργάζονται τις πληροφορίες μέσα έναν κβαντικό υπολογιστή. Ο κβαντικός υπολογισμός εισάγει επίσης την έννοια των qubits, το κβαντικό ανάλογο του κλασσικού bit. Η διαφορά βρίσκεται στο γεγονός ότι ένα qubit μπορεί να είναι είτε 0 είτε 1 ταυτόχρονα!.

Αυτό επιτρέπει ογκώδεις παράλληλους υπολογισμούς να εκτελεσθούν σε μερικά δευτερόλεπτα, διαδικασία που παίρνει εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια μέρες στα σημερινά computers.

Τα περισσότερα μοντέρνα chips έχουν transistors στο μέγεθος των 180 nanometers, περισσότερο από 400 φορές στενότερα από ότι η ανθρώπινη τρίχα. Αλλά οι κατασκευαστές των chip δεν θα μπορούν να φτιάξουν chips μικρότερα των 124 nanometers, σύμφωνα με μια βασική αρχή της οπτικής που είναι γνωστή σαν κριτήριο του Rayleigh. Έτσι τα όρια των σημερινών τεχνικών βρίσκονται σε αυτή την περιοχή μεγέθους.

Θεωρητικά, αν χρησιμοποιηθούν τα πεπλεγμένα φωτόνια αντί για τα συμβατικά φωτόνια των laser, θα μπορούν να ξεπεράσουν οι τεχνικοί τα όρια των 124 nm, και να φτιαχθούν έτσι transistors μικρότερα από 64 nanometers. Τα πεπλεγμένα αυτά φωτόνια θα μπορούν να ταξιδεύουν μαζί και να συμπεριφέρονται σαν ένα μοναδικό φωτόνιο, αντί για δύο ξεχωριστά.

Αυτό οφείλεται στο ότι τα πεπλεγμένα φωτόνια έχουν ως σύστημα το μισό μήκος κύματος από ό,τι έχουν ως ατομικά σωματίδια - μία από τις παράδοξες συνέπειες των κβαντικών νόμων.

Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές, που θα κινούν τις πληροφορίες κατ' αυτό τον τηλεμεταφερόμενο τρόπο, και όχι από τα καλώδια και τα τσιπ του πυριτίου, θα είναι απείρως γρηγορότεροι και ισχυρότεροι από τους παρόντες υπολογιστές.

Πιστεύουμε πως σε 5 ή 10 χρόνια οι προηγμένες κοινωνίες θα χρησιμοποιούν κβαντική πληροφορία.