«Στοιχειωμένη» δράση από απόσταση

Βαγγέλης Πρατικάκης, in.gr, 02/6/2014

Ο Άλμπερτ Άινσταϊν είχε απορρίψει το φαινόμενο αποκαλώντας το «στοιχειωμένη δράση από απόσταση». Κι όμως, η τηλεμεταφορά δεδομένων είναι εφικτή, όπως επιβεβαιώνει και το τελευταίο πείραμα στην Ολλανδία.

Οι ερευνητές αναφέρουν στο περιοδικό Science ότι κατάφεραν να τηλεμεταφέρουν όχι αστροναύτες του Star Trek αλλά δεδομένα (την κατάσταση του σπιν ενός ηλεκτρονίου) ανάμεσα σε δύο μικροσκοπικά διαμάντια που απείχαν τρία μέτρα.

Στόχος τους είναι τώρα να αυξήσουν την απόσταση στο ένα χιλιόμετρο, μια βελτίωση που ίσως φέρει πιο κοντά τις κύριες πρακτικές εφαρμογές της κβαντικής τηλεμεταφοράς: τους κβαντικούς υπολογιστές και τα ασφαλή κβαντικά δίκτυα επικοινωνιών.

Θεωρητικά, η ίδια περίπου μέθοδος θα μπορούσε να αξιοποιηθεί και για την τηλεμεταφορά ανθρώπων, αν και οι ερευνητές θεωρούν κάτι τέτοιο «εξαιρετικά απίθανο».

Η μέθοδος κβαντικής τηλεμεταφοράς που παρουσίασε η ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Ντελφτ δεν είναι η πρώτη, φέρεται όμως να είναι η ακριβέστερη με απόδοση 100%.

Ακαριαία δράση από απόσταση

Το φαινόμενο στο οποίο βασίστηκε το πείραμα ονομάζεται κβαντική διεμπλοκή (entanglement) και αφορά σωματίδια (φωτόνια, ηλεκτρόνια, ακόμα και μόρια) που βρίσκονται σε ένα είδος επικοινωνίας μεταξύ τους: η αλλαγή της κβαντικής κατάστασης του ενός σωματιδίου οδηγεί στην ακαριαία αλλαγή της κατάστασης και του δεύτερου, ακόμα κι αν τα σωματίδια χωρίζονται από μεγάλη απόσταση και δεν επικοινωνούν μέσω κάποιου υλικού μέσου.

Το 1935, ο Άινσταϊν και άλλοι φυσικοί απέρριψαν το φαινόμενο ως παραλογισμό που προκύπτει από κάποια βασική παρανόηση της κβαντομηχανικής. Ο πατέρας της σχετικότητας αρνούνταν να δεχτεί ότι δύο σωματίδια μπορούν να αλληλεπιδρούν ακαριαία, πιο γρήγορα δηλαδή κι από την ταχύτητα του φωτός.

Ακόμα και το 1947 ο Άινσταϊν παρέμενε αμετάπειστος και δήλωνε σε επιστολή του ότι «η Φυσική πρέπει να αναπαριστά μια πραγματικότητα στο χώρο και το χρόνο, χωρίς στοιχειωμένες δράσεις από απόσταση (spooky actions at a distance)».

Κι όμως, πολλά πειράματα έχουν αποδείξει έκτοτε ότι η κβαντική διεμπλοκή είναι πραγματική και όντως δρα ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.

Bit και qubit

Αυτό είναι εξάλλου το φαινόμενο στο οποίο βασίστηκε το τελευταίο επίτευγμα. Οι ερευνητές δημιούργησαν ζευγάρια ηλεκτρονίων μέσα σε δύο διαφορετικούς κρυστάλλους διαμαντιού έτσι ώστε το ηλεκτρόνιο στον έναν κρύσταλλο να βρίσκεται σε διεμπλοκή με το δεύτερο.

Τα δεδομένα που μεταφέρθηκαν από τον έναν κρύσταλλο στον άλλο, χωρίς να υπάρχει φυσική επαφή μεταξύ τους, ήταν η κατάσταση του σπιν των ηλεκτρονίων: η αλλαγή του spin στον έναν κρύσταλλο οδηγεί ακαριαία στην αλλαγή του spin στον δεύτερο κρύσταλλο, δηλαδή στη μεταφορά της πληροφορίας για το spin.

Στους κλασικούς υπολογιστές, μονάδα της πληροφορίας είναι το bit, το οποίο παίρνει τιμή είτε «0» είτε «1».

Αυτό όμως που τηλεμεταφέρθηκε στο πείραμα ήταν ένα «κβαντικό bit» ή qubit, το οποίο θεωρητικά μπορεί να βρίσκεται στις καταστάσεις «0» και «1» ταυτόχρονα.

Η συνύπαρξη αυτών των καταστάσεων στο ίδιο bit είναι αυτό που θα έκανε τους κβαντικούς υπολογιστές ταχύτερους σε πολλές λειτουργίες.

Από τους κβαντικούς υπολογιστές στο Star Trek

Οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές είναι υποτυπώδεις και προσφέρουν ελάχιστα qubit, αν και η αμερικανική εταιρεία D-wave έχει λανσάρει ένα σύστημα για το οποίο υποστηρίζει ότι αξιοποιεί την κβαντική εμπλοκή.

Μια άλλη πρακτική εφαρμογή της τηλεμεταφοράς θα ήταν τα λεγόμενα κβαντικά δίκτυα, τα οποία είναι θεωρητικά απόλυτα ασφαλή από υποκλοπές.

Θα μπορούσε όμως να αξιοποιηθεί η διεμπλοκή για την τηλεμεταφορά αντικειμένων και ανθρώπων; «Αν πιστέψει κανείς ότι δεν είμαστε τίποτα περισσότερο από μια συλλογή ατόμων που συνδέονται μεταξύ τους με έναν συγκεκριμένο τρόπο, τότε θεωρητικά θα ήταν δυνατό να τηλεμεταφερθούμε από ένα μέρος σε ένα άλλο» σχολίασε στην εφημερίδα Independent ο καθηγητής Ρόναλντ Χάνσον, μέλος της ερευνητικής ομάδας στη Ντελφτ.

«Πρακτικά είναι εξαιρετικά απίθανο να συμβεί κάτι τέτοιο [...] Δεν μπορώ όμως να το αποκλείσω αφού δεν υπάρχει θεμελιώδης νόμος της φυσικής που να το εμποδίζει» είπε.

Kβαντική τηλεμεταφορά (διεμπλοκή) σε απόσταση 1.200 χιλιομέτρων!

Νέο παγκόσμιο ρεκόρ πέτυχαν Κινέζοι επιστήμονες στο φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής (ή κβαντικού εναγκαλισμού) δύο φωτονίων σε απόσταση 1.203 χιλιομέτρων, καταρρίπτοντας κατά πολύ το προηγούμενο ρεκόρ που ήταν περίπου 100 χιλιόμετρα.

Οι Κινέζοι ερευνητές ανέφεραν την επιτυχή δορυφορική μετάδοση των κβαντικά «διαπλεκόμενων» φωτονίων (σωματιδίων του φωτός) μεταξύ της Γης και του διαστήματος. Με αυτόν τον τρόπο, έκαναν ένα άλμα προς τον τελικό στόχο της δημιουργίας κρυπτογραφημένων κβαντικών δικτύων τηλεπικοινωνιών και Ίντερνετ, τα οποία θεωρούνται αδύνατο να πέσουν θύμα χάκερ.

Ο κινεζικός δορυφόρος Micius, ο οποίος είχε τεθεί σε τροχιά πέρυσι το καλοκαίρι, είναι ο πρώτος διεθνώς που έχει εφοδιασθεί με τον κατάλληλο εξοπλισμό για κβαντικά πειράματα. Χρησιμοποιήθηκε για την κβαντική επικοινωνία με τρεις επίγειους κινεζικούς σταθμούς που απείχαν μεταξύ τους περίπου 1.200 χλμ., ενώ η απόσταση του δορυφόρου από τους σταθμούς ποίκιλε από 500 έως 2.000 χλμ.

Οι ερευνητές της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, με επικεφαλής τον καθηγητή κβαντικής φυσικής Τζιάν-Γουέι Παν του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Χεφέι, έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Science».

Η υλοποίηση σε τεράστιες αποστάσεις της κβαντικής διεμπλοκής (στην οποία δύο υποατομικά σωματίδια συνδέονται μεταξύ τους και συμπεριφέρονται παρόμοια, παρά τη μεγάλη απόσταση που τα χωρίζει), μέσω οπτικών ινών ή ασύρματα μέσω του διαστήματος, ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία κβαντικών δικτύων τηλεπικοινωνιών και μεταφοράς δεδομένων.

Η δυνατότητα των σωματιδίων να συνδέονται κβαντικά με «μαγικό» τρόπο (κάτι που δημιουργούσε πρόβλημα κατανόησης ακόμη και στον Αϊνστάιν) μπορεί να επιτρέψει τη μετάδοση κρυπτογραφημένων πληροφοριών από το ένα μέρος της Γης στο άλλο μέσω ασφαλών κβαντικών «καναλιών», χωρίς κάποιος «ωτακουστής» να είναι σε θέση να τις υποκλέψει, αντίθετα με το σημερινό διάτρητο Ίντερνετ, που εκμεταλλεύονται μυστικές υπηρεσίες και χάκερ.

«Είναι ένα πρώτο βήμα -και ένα σημαντικό βήμα- για τη δημιουργία ενός πραγματικά παγκόσμιου κβαντικού δικτύου. Όλες οι προηγούμενες μέθοδοι περιορίζονταν σε απόσταση περίπου 100 χλμ., συνεπώς μπορούσαν να δουλέψουν μόνο σε μια πόλη» δήλωσε ο Παν. Όπως είπε, η σημερινή κρυπτογράφηση των δεδομένων βασίζεται σε πολύπλοκα μαθηματικά, που και αυτά όμως μπορεί να τα «σπάσουν» οι χάκερ με τη βοήθεια ισχυρών υπολογιστών.

«Αλλά σε ένα μελλοντικό κβαντικό δίκτυο η ασφάλεια θα διασφαλίζεται από τους ίδιους τους νόμους της φυσικής, οι οποίοι είναι ασφαλείς χωρίς περιορισμούς. Αυτό θα είναι ωφέλιμο για όλους τους ανθρώπους» πρόσθεσε ο Κινέζος επιστήμονας, ο οποίος συνεργάζεται προς αυτήν την κατεύθυνση με Ευρωπαίους συναδέλφους του, με επικεφαλής τον φυσικό Άντον Τσάιλινγκερ του Πανεπιστημίου της Βιέννης (ο οποίος υπήρξε καθηγητής του Παν), που κατείχαν το προηγούμενο ρεκόρ κβαντικής διεμπλοκής.

Οι ομάδες των Παν και Τσάιλινγκερ θα επιδιώξουν να δημιουργήσουν μια ασφαλή κβαντική σύνδεση μεταξύ Πεκίνου και Βιέννης. Ήδη οι Ευρωπαίοι φυσικοί προωθούν τη δημιουργία του Qapital, ενός κβαντικού δικτύου που θα συνδέει πολλές πρωτεύουσες της Ευρώπης, κυρίως μέσω οπτικών ινών. Σύμφωνα με τον Τσάιλινγκερ, το μελλοντικό κβαντικό διαδίκτυο θα βασίζεται τόσο στις οπτικές ίνες όσο και στους δορυφόρους.

Προς το παρόν, πάντως, υπάρχουν αρκετές ακόμη τεχνικές δυσκολίες που πρέπει να υπερπηδηθούν. Μεταξύ άλλων, ο κινεζικός δορυφόρος βρίσκεται σε χαμηλή τροχιά και έτσι οι σταθμοί εδάφους μπορούν να «πιάσουν» το κβαντικό σήμα του μόνο για πέντε λεπτά κάθε μέρα, συνεπώς θα χρειασθεί η κατασκευή και εκτόξευση αρκετών νέων δορυφόρων σε υψηλότερες τροχιές.