Οι επιστήμονες πειραματίζονται ενεργά με την κβαντική τηλεμεταφορά

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Για τους ήρωες των ταινιών επιστημονικής φαντασίας, η τηλεμεταφορά είναι κάτι κοινό. Ένα πάτημα ενός κουμπιού - και διαλύονται στον αέρα, ώστε σε λίγα δευτερόλεπτα να βρεθούν εκατοντάδες και χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά: σε άλλη χώρα ή ακόμα και σε άλλο πλανήτη.

Είναι πραγματικά εφικτό ένα τέτοιο κίνημα ή η τηλεμεταφορά θα παραμείνει για πάντα όνειρο συγγραφέων και σεναριογράφων; Γίνεται κάποια έρευνα σε αυτόν τον τομέα - και είμαστε ακόμη λίγο πιο κοντά στην εφαρμογή της τεχνολογίας που είναι τόσο οικεία στους ήρωες των φανταστικών ταινιών δράσης;

Η σύντομη απάντηση σε αυτή την ερώτηση είναι ναι, τα πειράματα βρίσκονται σε εξέλιξη και πολύ ενεργά. Επιπλέον, οι επιστήμονες δημοσιεύουν τακτικά άρθρα σε επιστημονικά περιοδικά σχετικά με επιτυχημένα πειράματα κβαντικής τηλεμεταφοράς - σε όλο και μεγαλύτερες αποστάσεις.

Και παρόλο που πολλοί διάσημοι φυσικοί αμφιβάλλουν ότι θα μπορέσουμε ποτέ να τηλεμεταφέρουμε ανθρώπους, ορισμένοι ειδικοί είναι πολύ πιο αισιόδοξοι και διαβεβαιώνουν ότι οι τηλεμεταφορές θα γίνουν πραγματικότητα σε μερικές δεκαετίες.

Αυτό το υλικό έχει προετοιμαστεί ως απάντηση σε ένα από τα ερευνητικά ερωτήματα αποστέλλεται από τους αναγνώστες μας.

«Ψέματα, φήμες και ιστορίες»

Αρχικά, ας διευκρινίσουμε για τι ακριβώς μιλάμε. Με τον όρο τηλεμεταφορά, εννοούμε τη στιγμιαία κίνηση των αντικειμένων σε οποιαδήποτε απόσταση, ιδανικά μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός.

Η ίδια η λέξη επινοήθηκε το 1931 από τον Αμερικανό δημοσιογράφο Τσαρλς Φορτ, ο οποίος αγαπούσε να ερευνά το παραφυσικό. Κατ' αναλογία με την "τηλεόραση", που προέρχεται από το ελληνικό τῆλε ("μακριά") και το λατινικό βίντεο ("να δει"), στο βιβλίο του "Ηφαίστεια του Ουρανού" επινόησε έναν όρο για να περιγράψει τις ανεξήγητες κινήσεις των αντικειμένων στο διάστημα (Λατινικά porto σημαίνει "κουβαλάω") …

Σε αυτό το βιβλίο, κοιτάζω πρωτίστως τις αποδείξεις ότι υπάρχει κάποιο είδος μεταβιβαστικής δύναμης, το οποίο αποκαλώ τηλεμεταφορά. Θα κατηγορηθώ ότι συνέδεσα ξεκάθαρα ψέματα, φήμες, μύθους, φάρσες και δεισιδαιμονίες. Κατά κάποιο τρόπο, νομίζω ότι ναι τον εαυτό μου. Και κατά μία έννοια, όχι. Απλώς παρέχω δεδομένα», γράφει ο Φορτ.

Υπάρχουν πράγματι πολλοί μύθοι για τέτοιες κινήσεις - για παράδειγμα, ο διαδεδομένος θρύλος για το πείραμα της Φιλαδέλφειας του 1943, κατά το οποίο το αμερικανικό αντιτορπιλικό Eldridge φέρεται να τηλεμεταφέρθηκε 320 km.

Το ίδιο αντιτορπιλικό που φέρεται να κινήθηκε στο διάστημα

Ωστόσο, στην πράξη, όλες αυτές οι ιστορίες αποδεικνύονται ότι δεν είναι τίποτα άλλο από εικασίες συνωμοσιολόγων, σύμφωνα με τις οποίες οι αρχές αποκρύπτουν από το ευρύ κοινό οποιαδήποτε απόδειξη υποθέσεων τηλεμεταφοράς ως στρατιωτικό μυστικό.

Στην πραγματικότητα, ισχύει το αντίθετο: οποιαδήποτε επιτεύγματα σε αυτόν τον τομέα συζητούνται ευρέως στην επιστημονική κοινότητα. Για παράδειγμα, μόλις πριν από μια εβδομάδα, Αμερικανοί επιστήμονες μίλησαν για ένα νέο επιτυχημένο πείραμα στην κβαντική τηλεμεταφορά.

Ας περάσουμε από τους αστικούς θρύλους και τη φανταστική λογοτεχνία στην αυστηρή επιστήμη.

«Από το σημείο Α στο σημείο Β…»

Η ιστορία της πραγματικής, όχι φανταστικής, τηλεμεταφοράς ξεκίνησε το 1993, όταν ο Αμερικανός φυσικός Τσαρλς Μπένετ μαθηματικά - χρησιμοποιώντας τύπους - απέδειξε τη θεωρητική δυνατότητα στιγμιαίων κβαντικών μετατοπίσεων.

Φυσικά, επρόκειτο για καθαρά θεωρητικούς υπολογισμούς: αφηρημένες εξισώσεις που δεν έχουν πρακτική εφαρμογή. Ωστόσο, με τον ίδιο τρόπο -μαθηματικά-, για παράδειγμα, ανακαλύφθηκαν ήδη μαύρες τρύπες, βαρυτικά κύματα και άλλα φαινόμενα, η ύπαρξη των οποίων επιβεβαιώθηκε πειραματικά πολύ αργότερα.

Έτσι, οι υπολογισμοί του Μπένετ έγιναν πραγματική αίσθηση. Οι επιστήμονες άρχισαν να διεξάγουν ενεργά έρευνα προς αυτή την κατεύθυνση - και το πρώτο επιτυχημένο πείραμα κβαντικής τηλεμεταφοράς πραγματοποιήθηκε μέσα σε λίγα χρόνια.

Εδώ πρέπει να τονιστεί ότι μιλάμε για κβαντική τηλεμεταφορά, και αυτό δεν είναι ακριβώς το ίδιο που έχουμε συνηθίσει να βλέπουμε στις ταινίες επιστημονικής φαντασίας. Από το ένα μέρος στο άλλο, δεν μεταδίδεται το ίδιο το υλικό αντικείμενο (για παράδειγμα, ένα φωτόνιο ή ένα άτομο - εξάλλου, τα πάντα αποτελούνται από άτομα), αλλά πληροφορίες για την κβαντική του κατάσταση. Ωστόσο, θεωρητικά, αυτό είναι αρκετό για να «αποκαταστήσει» το αρχικό αντικείμενο σε μια νέα θέση, έχοντας λάβει ένα πιστό αντίγραφό του. Επιπλέον, τέτοια πειράματα πραγματοποιούνται ήδη με επιτυχία σε εργαστήρια - αλλά περισσότερα για αυτό παρακάτω.

Στον κόσμο που έχουμε συνηθίσει, αυτή η τεχνολογία συγκρίνεται πιο εύκολα με ένα φωτοαντιγραφικό ή φαξ: δεν στέλνετε το ίδιο το έγγραφο, αλλά πληροφορίες σχετικά με αυτό σε ηλεκτρονική μορφή - αλλά ως αποτέλεσμα, ο παραλήπτης έχει ένα ακριβές αντίγραφο. Με την ουσιαστική διαφορά ότι στην περίπτωση της τηλεμεταφοράς, το ίδιο το απεσταλμένο υλικό αντικείμενο καταστρέφεται, εξαφανίζεται δηλαδή - και μένει μόνο ένα αντίγραφο.

Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς συμβαίνει αυτό.

Παίζει ο Θεός ζάρια;

Έχετε ακούσει για τη γάτα του Σρέντιγκερ - αυτή που κάθεται στο κουτί ούτε ζωντανή ούτε νεκρή; Αυτή η πρωτότυπη μεταφορά επινοήθηκε από τον Αυστριακό φυσικό Erwin Schrödinger για να περιγράψει τη μυστηριώδη ιδιότητα των στοιχειωδών σωματιδίων - την υπέρθεση. Το γεγονός είναι ότι τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα, τις οποίες στον κόσμο έχουμε συνηθίσει να αποκλείουμε εντελώς το ένα το άλλο. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο δεν περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου, όπως νομίζαμε, αλλά βρίσκεται ταυτόχρονα σε όλα τα σημεία της τροχιάς (με διαφορετικές πιθανότητες).

Μέχρι να ανοίξουμε το κουτί της γάτας, δηλαδή, δεν μετρήσαμε τα χαρακτηριστικά του σωματιδίου (στο παράδειγμά μας, δεν προσδιορίσαμε την ακριβή θέση του ηλεκτρονίου), η γάτα που κάθεται εκεί δεν είναι απλώς ζωντανή ή νεκρή - είναι και τα δύο ζωντανοί και νεκροί ταυτόχρονα. Όταν όμως το κουτί είναι ανοιχτό, δηλαδή γίνεται η μέτρηση, το σωματίδιο βρίσκεται σε μια από τις πιθανές καταστάσεις - και δεν αλλάζει πια. Η γάτα μας είναι είτε ζωντανή είτε νεκρή.

Εάν σε αυτό το σημείο έπαψες εντελώς να καταλαβαίνεις τίποτα - μην ανησυχείς, κανείς δεν το καταλαβαίνει αυτό. Η φύση της κβαντικής μηχανικής δεν έχει εξηγηθεί από τους πιο λαμπρούς φυσικούς στον κόσμο για πολλές δεκαετίες

Το φαινόμενο της κβαντικής εμπλοκής χρησιμοποιείται για τηλεμεταφορά. Αυτό συμβαίνει όταν δύο στοιχειώδη σωματίδια έχουν την ίδια προέλευση και βρίσκονται σε μια αλληλοεξαρτώμενη κατάσταση - με άλλα λόγια, υπάρχει κάποια ανεξήγητη σύνδεση μεταξύ τους. Εξαιτίας αυτού, τα μπερδεμένα σωματίδια μπορούν να «επικοινωνούν» μεταξύ τους, ακόμη και να βρίσκονται σε τεράστια απόσταση μεταξύ τους. Και μόλις μάθετε την κατάσταση ενός σωματιδίου, μπορείτε να προβλέψετε την κατάσταση ενός άλλου με απόλυτη βεβαιότητα.

Για πολλά χρόνια, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν διαφωνούσε για το ανεξήγητο φαινόμενο των εμπλεκόμενων σωματιδίων με έναν από τους ιδρυτές της κβαντικής θεωρίας, τον Niels Bohr (αριστερά). Κατά τη διάρκεια μιας από αυτές τις διαμάχες, ο Αϊνστάιν είπε την περίφημη φράση του «Ο Θεός δεν παίζει ζάρια», στην οποία έλαβε μια απάντηση από τον Μπορ: «Άλμπερτ, μην πεις στον Θεό τι να κάνει!».

Φανταστείτε ότι έχετε δύο ζάρια αθροίζονται πάντα μέχρι επτά … Τα τίναξες σε ένα ποτήρι και πέταξες το ένα κόκκαλο πίσω από την πλάτη σου και το άλλο μπροστά σου και το σκέπασες με την παλάμη σου. Σηκώνοντας το χέρι σας, είδατε ότι έχετε πετάξει, ας πούμε, ένα εξάρι - και τώρα μπορείτε να ισχυριστείτε με σιγουριά ότι το δεύτερο κόκκαλο, πίσω από την πλάτη σας, έπεσε ένα επάνω. Εξάλλου, το άθροισμα δύο αριθμών πρέπει να είναι ίσο με επτά.

Ακούγεται απίστευτο, σωστά; Με τα ζάρια που έχουμε συνηθίσει, ένας τέτοιος αριθμός δεν θα λειτουργήσει, αλλά τα μπερδεμένα σωματίδια συμπεριφέρονται ακριβώς έτσι - και μόνο έτσι, αν και η φύση αυτού του φαινομένου επίσης αψηφά την εξήγηση.

«Αυτό είναι το πιο απίστευτο φαινόμενο της κβαντικής μηχανικής, είναι αδύνατο να το καταλάβουμε», λέει ο καθηγητής του MIT Walter Levin, ένας από τους πιο σεβαστούς φυσικούς στον κόσμο. ζώνες! Το μόνο που μπορούμε να πούμε είναι ότι προφανώς έτσι λειτουργεί ο κόσμος μας."

Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει καθόλου ότι αυτό το μυστηριώδες φαινόμενο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην πράξη - άλλωστε επιβεβαιώνεται επανειλημμένα τόσο από τύπους όσο και από πειράματα.

Σύμβολο κβαντικής εμπλοκής

Πρακτική τηλεμεταφορά

Τα πρακτικά πειράματα για την τηλεμεταφορά ξεκίνησαν πριν από περίπου 10 χρόνια στα Κανάρια Νησιά υπό την καθοδήγηση του Αυστριακού φυσικού, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης Anton Zeilinger.

Σε ένα εργαστήριο στο νησί της Πάλμα, οι επιστήμονες δημιουργούν ένα ζεύγος εμπλεκόμενων φωτονίων (Α και Β), και στη συνέχεια ένα από αυτά στέλνεται χρησιμοποιώντας δέσμη λέιζερ σε ένα άλλο εργαστήριο που βρίσκεται στο γειτονικό νησί της Τενερίφης, 144 χιλιόμετρα μακριά. Επιπλέον, και τα δύο σωματίδια βρίσκονται σε κατάσταση υπέρθεσης -δηλαδή δεν έχουμε ακόμη «ανοίξει το κουτί της γάτας».

Στη συνέχεια, το τρίτο φωτόνιο (C) συνδέεται με τη θήκη - αυτό που πρέπει να τηλεμεταφερθεί - και το κάνουν να αλληλεπιδρά με ένα από τα μπλεγμένα σωματίδια. Στη συνέχεια, οι φυσικοί μετρούν τις παραμέτρους αυτής της αλληλεπίδρασης (A + C) και μεταδίδουν την τιμή που προκύπτει σε ένα εργαστήριο στην Τενερίφη, όπου βρίσκεται το δεύτερο μπλεγμένο φωτόνιο (Β).

Η ανεξήγητη σύνδεση μεταξύ του Α και του Β θα καταστήσει δυνατή τη μετατροπή του Β σε ακριβές αντίγραφο του σωματιδίου C (A + C-B) - σαν να μετακινήθηκε αμέσως από το ένα νησί στο άλλο χωρίς να διασχίσει τον ωκεανό. Δηλαδή τηλεμεταφέρθηκε.

Ο Anton Zeilinger επιβλέπει την πρακτική τηλεμεταφορά

«Εξάγουμε κατά κάποιο τρόπο τις πληροφορίες που φέρει το πρωτότυπο - και δημιουργούμε ένα νέο πρωτότυπο αλλού», εξηγεί ο Zeilinger, ο οποίος έχει ήδη τηλεμεταφέρει χιλιάδες και χιλιάδες στοιχειώδη σωματίδια με αυτόν τον τρόπο.

Σημαίνει αυτό ότι στο μέλλον, οι επιστήμονες θα μπορούν να τηλεμεταφέρουν με αυτόν τον τρόπο οποιαδήποτε αντικείμενα, ακόμη και ανθρώπους - άλλωστε και εμείς αποτελούμαστε από τέτοια σωματίδια;

Θεωρητικά, αυτό είναι πολύ πιθανό. Απλώς πρέπει να δημιουργήσετε έναν επαρκή αριθμό μπερδεμένων ζευγαριών και να τα μεταφέρετε σε διαφορετικά μέρη, τοποθετώντας τα σε "θάλαμοι τηλεμεταφοράς" - ας πούμε, στο Λονδίνο και τη Μόσχα. Μπαίνεις στον τρίτο θάλαμο, ο οποίος λειτουργεί σαν σαρωτής: ο υπολογιστής αναλύει την κβαντική κατάσταση των σωματιδίων σου, συγκρίνοντάς τα με μπερδεμένα, και στέλνει αυτές τις πληροφορίες σε άλλη πόλη. Και εκεί λαμβάνει χώρα η αντίθετη διαδικασία - και το ακριβές αντίγραφό σας αναδημιουργείται από τα μπλεγμένα σωματίδια.

«Επιλύθηκαν θεμελιώδη ζητήματα»

Στην πράξη τα πράγματα είναι λίγο πιο περίπλοκα. Το γεγονός είναι ότι υπάρχουν περίπου 7 οκτισεκατομμύρια άτομα στο σώμα μας (μετά από επτά υπάρχουν 27 μηδενικά, δηλαδή επτά δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια) - αυτό είναι περισσότερο από αστέρια στο παρατηρήσιμο μέρος του Σύμπαντος.

Και τελικά, είναι απαραίτητο να αναλύσουμε και να περιγράψουμε όχι μόνο κάθε μεμονωμένο σωματίδιο, αλλά και όλες τις συνδέσεις μεταξύ τους - εξάλλου, σε ένα νέο μέρος πρέπει να συλλέγονται με μια ιδανική σωστή σειρά.

Είναι σχεδόν αδύνατο να συλλεχθεί και να μεταδοθεί μια τέτοια ποσότητα πληροφοριών - τουλάχιστον στο σημερινό επίπεδο ανάπτυξης της τεχνολογίας. Δεν είναι γνωστό πότε θα εμφανιστούν υπολογιστές ικανοί να επεξεργάζονται τέτοιους όγκους δεδομένων. Τώρα, σε κάθε περίπτωση, γίνονται εργασίες για την αύξηση της απόστασης μεταξύ των εργαστηρίων και όχι του αριθμού των τηλεμεταφερόμενων σωματιδίων.

Γι' αυτό πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι το όνειρο της ανθρώπινης τηλεμεταφοράς δύσκολα μπορεί να πραγματοποιηθεί. Αν και, για παράδειγμα, ένας καθηγητής στο New York City College και ένας γνωστός εκλαϊκευτής της επιστήμης Michio Kaku είναι πεπεισμένος ότι η τηλεμεταφορά θα γίνει πραγματικότητα μέχρι το τέλος του 21ου αιώνα - και ίσως ακόμη και 50 χρόνια αργότερα. Χωρίς να αναφέρουν συγκεκριμένες ημερομηνίες, ορισμένοι άλλοι ειδικοί συμφωνούν γενικά μαζί του.

"Αυτό είναι ένα ζήτημα βελτίωσης της τεχνολογίας, βελτίωσης της ποιότητας. Αλλά θα έλεγα ότι τα θεμελιώδη ζητήματα έχουν επιλυθεί - και δεν υπάρχει κανένα όριο στην τελειότητα περαιτέρω", λέει ο Eugene Polzik, καθηγητής στο Ινστιτούτο Niels Bohr στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης.

Ωστόσο, στην πορεία προκύπτουν πολλά άλλα ερωτήματα. Για παράδειγμα, το "αντίγραφό μου" που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας τηλεμεταφοράς θα είναι το πραγματικό εγώ; Θα σκέφτεται με τον ίδιο τρόπο, θα έχει τις ίδιες αναμνήσεις; Άλλωστε, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το πρωτότυπο του σταλθέντος αντικειμένου καταστρέφεται ως αποτέλεσμα της κβαντικής ανάλυσης.

«Για την κβαντική τηλεμεταφορά, η καταστροφή του τηλεμεταφερόμενου αντικειμένου στη διαδικασία είναι απολύτως απαραίτητη και αναπόφευκτη», επιβεβαιώνει ο Edward Farhi, ο οποίος ήταν επικεφαλής του Κέντρου Θεωρητικής Φυσικής στο MIT από το 2004 έως το 2016 και τώρα εργάζεται στη Google. «Νομίζω ότι θα μετατραπεί σε ένα μάτσο νετρονίων, πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Δεν θα φαίνεσαι καλύτερα».

Από την άλλη, από καθαρά υλιστική άποψη, δεν καθοριζόμαστε από τα σωματίδια από τα οποία είμαστε φτιαγμένοι, αλλά από την κατάστασή τους - και αυτή η πληροφορία, λένε οι επιστήμονες, μεταδίδεται με εξαιρετική ακρίβεια.

Θα ήθελα να πιστεύω ότι είναι έτσι. Και ότι το όνειρο της ανθρωπότητας για την τηλεμεταφορά δεν θα γίνει πραγματικότητα στη διάσημη ταινία τρόμου, όπου ο κύριος χαρακτήρας δεν παρατήρησε πώς μια μύγα πέταξε κατά λάθος στην καμπίνα τηλεμεταφοράς του …