Τετάρτη, 2 Ιανουαρίου 2008

ΤΗΛΕΜΕΤΑΦΟΡΕΣ «Ο ΜΗΤΣΟΣ»





Η Τηλεμεταφορά, (Τeleportation), όπως το λέει και η λέξη, αποτελεί διαδικασία μεταφοράς της κατάστασης και των ιδιοτήτων, και ΟΧΙ του ιδίου του αντικειμένου σε κάποια άλλη μακρινή κατά προτίμηση ακτή. Στην τηλεμεταφορά δεν προβλέπεται μεταφορά ύλης παρά μόνον πληροφοριών. Επί πλέον, για όσους το επιχειρήσουν προβλέπεται ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗ του αρχικού, προς τηλεμεταφορά, αντικειμένου, γιαυτό και χρειάζεται προσοχή. Όχι δεν εξαφανίζεται, δεν εξαερώνεται. Απλά περιπλέκεται με ένα άλλο σύστημα και χάνει την αρχική του κατάσταση. Γίνεται κάτι άλλο, κάτι το αδιευκρίνιστο.


Ας δούμε όμως τα πράγματα από πιο κοντά.

Η ιδέα είναι αρκετά πρόσφατη και ανήκει στον ταλαντούχο κύριο Charles Bennett από την IBM, ο οποίος για πρώτη φορά το 1993 πρότεινε στο (Bennett C. H. et al. “Teleporting an unknown quantum state via dual classic and Einstein-Podolsky-Rosen channels”, Phys. Rev. Lett. 70, p. 1895, 1993), ένα θεωρητικό σχήμα με το οποίο θα μπορούσε κάποιος να μεταφέρει την κβαντική κατάσταση (κυματοσυνάρτηση) ενός σωματιδίου σε ένα άλλο, υπό την προυπόθεση ότι η κατάσταση αυτή δεν θα γινόταν γνωστή καθ’ όλη τη διάρκεια του μετασχηματισμού. Γιατί; Θα το δείτε στην συνέχεια...

Στην παρουσίαση της ενδιαφέρουσας αυτής δυνατότητας και στην διατύπωση των σταδίων της θα ακολουθήσω σε γενικές γραμμές το πολύ καλογραμμένο άρθρο του Anton Zeillinger και των συνεργατών του από το πανεπιστήμιο της Βιέννης, όπως εμφανίστηκε στο περιοδικό Nature, Vol. 390, p. 575, 1997. Στο ίδιο αυτό άρθρο περιγράφεται και η πρώτη επιτυχής τηλεμεταφορά ενός πολωμένου φωτονίου.

Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ

Ας υποθέσουμε ότι ο πομπός με το όνομα Alice έχει στην κατοχή του σε μια συγκεκριμένη κατάσταση φ1> ένα σωματίδιο το οποίο και θέλει να στείλει σαν δώρο, έτσι ακριβώς όπως είναι, στον δέκτη με το όνομα Bob. Θα μπορούσε φυσικά να το στείλει με έναν κλασικό τρόπο, για παράδειγμα με τα ΕΛΤΑ, αλλά επειδή υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να χαθεί, να καταστραφεί, ή το πιο πιθανό ν’ αργήσει να φτάσει θέλει να δοκιμάσει κάτι πιο σίγουρο, αξιόπιστο και αεροπλανικό. Ακόμα υπάρχει και η αρχή της αβεβαιότητας που δεν επιτρέπει στην Alice να κάνει ακριβείς μετρήσεις.

Η κατάσταση φ1> του σωματιδίου, στην γενική της μορφή, αν θυμάστε αποτελείται από υπέρθεση διαφόρων πιθανών ιδιοκαταστάσεων, σε κάποια από τις οποίες θα μπορούσε το σωματίδιο δυνητικά να βρεθεί, αν η Alice πήγαινε να κάνει μια μέτρηση και να στείλει το αποτέλεσμα της μέτρησης αυτής στον Bob. Στην πραγματικότητα όμως θα κατέστρεφε ολότελα την κυματοσυνάρτηση φ1> λόγω του προβλήματος της “wavefunction collapse”.

Έστω ότι η Alice έχει ένα φωτόνιο 1 το οποίο μπορεί να βρεθεί σε δυο μόνον καταστασεις, την 0> και την 1> που είναι και οι δυο δυνατές καταστάσεις πόλωσής του. Τότε, κατά τα γνωστά

φ1>=α 0> + β 1>

και μια μέτρηση από την Alice θα έδινε ένα φωτόνιο είτε στην 0> είτε στην 1> κατάσταση. (α και β είναι τα στατιστικά βάρη).




Εδώ ακριβώς έρχεται ο Bennett ο οποίος προτείνει την εισαγωγή στο παιχνίδι ενός ζεύγους πεπλεγμένων (entangled) φωτονίων εκ των οποίων το ένα έχει προσυμφωνηθεί να το πάρει η Alice και το άλλο ο Bob. Η κυματοσυνάρτηση του νέου αυτού ζεύγους φωτονίων 2 και 3, γράφεται κατά τα γνωστά σαν άθροισμα γινομένων του τύπου

φ23>=0.707 * ( 0>*1>+ 1>*0> )

Με τη βοήθεια μιας πειραματικής διαδικασίας που λέγεται «Μέτρηση των Καταστάσεων Bell» η Alice τώρα έχει τη δυνατότητα να πάρει το φωτόνιο 2 και να δημιουργήσει ένα καινούργιο πεπλεγμένο ζεύγος με το δικό της 1 το οποίο θέλει να στείλει. Ένα από τα τέσσερα πιθανά αποτελέσματα του πειράματος Bell, θα δώσει φωτόνια με κυματοσυνάρτηση φ12> που θα μοιάζει με την κυματοσυνάρτηση φ23> των δύο αρχικά πεπλεγμένων φωτονίων 2 και 3. Η Alice τότε μεταφέρει με κλασικό τρόπο, ας πούμε με το κινητό, στον Bob το αποτέλεσμα της μέτρησής της και τότε ο Bob αντιλαμβάνεται ότι το φωτόνιό του, το 3, είναι το ίδιο με το αρχικό 1 της Alice. Δηλαδή, και εδώ είναι το σημαντικό, δεν μπορεί να γίνει τηλεμεταφορά ακαριαία τη στιγμή που η Alice κάνει την μέτρηση Bell στο σύστημά της. Αν και το φωτόνιο του Bob αυτόματα λαμβάνει τα χαρακτηριστικά του αρχικού φωτονίου της Alice, εν τούτοις ο δέκτης δεν το γνωρίζει και πρέπει πρώτα να ειδοποιηθεί από τον πομπό για το αποτέλεσμα της μέτρησής του μέσα από κλασικό κανάλι.

Πολύ εύκολα αποδεικνύεται ότι αν τα πεπλεγμένα φωτόνια 1,2 της Alice έχουν κυματοσυνάρτηση της ιδίας μορφής με αυτή των πεπλεγμένων 2,3, τότε η κυματοσυνάρτηση του φωτονίου 3 που λαμβάνει ο Bob θα είναι ίση με την αρχική, φ1>, του φωτονίου 1 που είχε η Alice. Το κόλπο βασίζεται στο ότι σε ένα πεπλεγμένο ζεύγος το ένα εκ των δυο φωτονίων θα έχει αντίθετες ιδιότητες από το άλλο. Έτσι μιας και Alice έχει τα φωτόνια 1 και 2 πεπλεγμένα, το 2 θα είναι πάντοτε σε αντίθετη (ορθογώνια) κατάσταση από το 2. Επειδή το 2 φτιάχτηκε εξ αρχής σε αντίθετη κατάσταση με το 3, με το οποίο αποτελούσε πεπλεγμένο ζεύγος, συνεπάγεται ότι το φωτόνιο 3 του Bob θα είναι το ίδιο με το 1 της Alice.

φ3>=φ1>

που σημαίνει ότι με τον τρόπο αυτό η Alice κατάφερε να τηλεμεταφέρει ανέγγιχτη την κυματοσυνάρτηση του φωτονίου της στον Bob.



1) Η τηλεμεταφορά μπορεί να γίνει σε οποιαδήποτε αυθαίρετη απόσταση χωρίς να χρειάζεται να γνωρίζει η Alice που βρίσκεται ο Bob.
2) Η Alice δεν χρειάζεται επίσης, να γνωρίζει την κατάσταση του φωτονίου της, το οποίο είναι καλό για κάποιον που δεν μπορεί να κρατήσει μυστικά.
3) Μετά από επιτυχή τηλεμεταφορά το φωτόνιο της Alice βρίσκεται πεπλεγμένο οπότε δεν είναι διαθέσιμο στην αρχική του κατάσταση. Στην πραγματικότητα δεν έχουμε καμιά ιδέα γιαυτό.

Μετά από αυτά, τί άλλο μπορούμε να περιμένουμε; Πρώτα πρώτα θα ήταν πολύ σημαντικό να μπορούσαμε να μεταφέρουμε ιδιότητες ανάμεσα σε ανομοιογενή σωματίδια. Για παράδειγμα, η μεταφορά χαρακτηριστικών σωματιδίων με βραχύ χρόνο ζωής σε άλλα πιο σταθερά, θα μπορούσε να δημιουργήσει μνήμες όπου η πληροφορία των εισερχομένων φωτονίων θα μπορούσε να αποθηκευτεί σε παγιδευμένα ιόντα.

Αν και υπάρχει μεγάλη πρόοδος στην θεωρητική επεξεργασία του θέματος στην πρακτική εφαρμογή του υπάρχει μεγάλη υστέρηση, εξ αιτίας της δυσκολίας να παραχθούν με αξιοπιστία στο εργαστήριο πεπλεγμένα άτομα, σε αντίθεση με τα φωτόνια τα οποία παράγονται σωρηδόν. Έτσι, τα κοσμικά ταξίδια μπορούν ακόμα να περιμένουν.

2 σχόλια:

de nprofundis είπε...

Beam me up Scotty.

cynical είπε...

Καλημέρα de profundis!
Μάλλον χλομό το βλέπω. Ιδίως αν έχεις και κάμποσα παραπανίσια κιλά... Προς το παρόν μόνο κανένα φωτόνιο έχει ελπίδες για beamming...