שיגור (טלפורטציה) קוונטי למרחק שיא
20/08/2012

מבוסס על:

שני צוותים של חוקרים הצליחו לגרום לשיגור (טלפורטציה) קוונטי למרחק חסר תקדים של כמאה קילומטרים.

בשיגור מנסים להעביר מצב (כגון קיטוב, תנע, רמת אנרגיה) של חלקיק אחד לחלקיק אחר הנמצא במקום מרוחק, וכך יוצרים עותק של החלקיק המקורי. בפיזיקה הקלאסית ניתן פשוט למדוד במדויק את מצב החלקיק ולשדר את המידע כדי ליצור מצב זהה עבור החלקיק השני. אולם, חוקי תורת הקוונטים אינם מאפשרים מדידה של מצבו המלא של חלקיק. כמו כן, מצבו של החלקיק משתנה בעקבות המדידה. רעיון חדשני מאפשר להעביר את מצבו של חלקיק לחלקיק אחר, אך מחייב שמצבו של החלקיק המקורי ישתנה בזמן השיגור (לא ניתן להעתיק מצב קוונטי). בעתיד ניתן יהיה אולי להשתמש ברעיון דומה כדי להעביר עצמים גדולים יותר ממקום למקום כמו בסרטי המדע הבדיוני. לצערנו, שיגור זה אפשרי כרגע רק עבור מצב קוונטי של פוטון, ולא לגופים גדולים יותר...

שיגור קוונטי מבוסס על העובדה שיכול להיות קשר של שזירה  (entanglement)בין חלקיקים קוונטיים המרוחקים זה מזה. לדוגמא: ייתכן מצב בו זוג פוטונים נמצאים במצב קוונטי שזור, שבו אם אחד הפוטונים מקוטב בצורה מסוימת, השני חייב להיות מקוטב בצורה אנכית לראשון, אך לא ניתן לדעת (ללא מדידה) מהו מצבו של כל אחד בנפרד. נזכיר שקיטוב הינו תכונה של אור המציינת את כיוון השדה החשמלי של הגל האלקטרומגנטי. כל עוד לא מדדנו את מצבם של שני הפוטונים – אין לנו אפשרות לדעת מי מהם מקוטב בצורה מסוימת. כאשר מודדים את קיטובו של אחד הפוטונים, בו ברגע קורס השני למצב הקיטוב האנכי לראשון, וזאת למרות שהפוטונים יכולים להיות מרוחקים קילומטרים זה מזה.

נניח שאליס רוצה לשדר לבוב את מצבו הקוונטי של פוטון מסוים, שמצבו הקוונטי לא בהכרח ידוע לה. נקרא לפוטון זה X. כדי לבצע שיגור זה עליהם לחלוק זוג פוטונים נוסף, הנמצאים במצב שזור (ניתן להשיג זאת ע"י תהליכים היוצרים זוגות פוטונים שזורים המשוגרים בכיוונים מנוגדים). היא לוקחת את אחד הפוטונים השייכים לזוג הפוטונים השזורים, נקרא לו Y, ובוב לוקח את השני, נקרא לו 'Y. לאחר מכן אליס מאפשרת לפוטון שלה Y להתאבך עם הפוטון המקורי X (כלומר, פונקציות הגל של שני הפוטונים מתחברות זו לזו). פוטון X הוא זה שאמור להיות משוגר לעברו של בוב. לאחר מכן מודדת אליס את הקיטובים של שני הפוטונים X ו-Y שבידיה. בגלל הקשר השזור בין פוטון Y של אליס לפוטון של בוב 'Y, הפוטון של בוב 'Y יחוש מיד בהשפעת המדידה שערכה אליס. הפוטון של בוב 'Y  יושפע ממצבו של הפוטון המקורי X של אליס, אך עדיין לא יהיה במצבו המקורי של הפוטון X של אליס. נראה שיש כאן בעיה, כי הפוטון של בוב 'Y חש מיד במצבם של הפוטונים של אליס, בעוד שאנו יודעים שהמידע על מצבם של הפוטונים של אליס לא יכול לנוע במהירות הגבוהה ממהירות האור. הפתרון לבעיה זו הוא, שלמעשה, בוב יוכל לגלות את מצבו המקורי של הפוטון X של אליס רק כאשר היא תדווח לו על תוצאות מדידותיה, ובוב יבצע על הפוטון 'Y פעולות סיבוב התלויות בתוצאות המדידות של אליס. כדי שמידע זה יגיע אליו, אליס צריכה לשלוח לו אותו. המידע הזה יכול להגיע אליו במהירות שאיננה עולה על מהירות האור. כך, אין בניסוי זה סתירה לעובדה שמידע אינו יכול לנוע במהירות גדולה ממהירות האור. למעשה בלי המידע המשודר ע"י אליס, שום ניסוי שבוב יבצע לא יגלה לו אפילו מידע סטטיסטי על מצב הפוטון של אליס X.

נוסיף גם, שאליס איננה חייבת לדעת היכן נמצא בוב כדי שתהליך זה יקרה. היא יכולה לשדר לו את המידע הדרוש בכל דרך שהיא, למשל ברדיו או באינטרנט. מידע זה אמנם יהיה זמין לכל, אך לא תהיה לו כל משמעות ללא החלקיק השזור עם החלקיק של אליס. עובדה זו תוכל לשמש בעתיד להעברה מוצפנת של מידע. אבל נכון לעכשיו החוקרים מתמקדים בניסיונות להגדיל את הגבולות האפשריים לביצוע הליך זה.

בגיליון ה – 9 באוגוסט של מגזין Nature פרסמה קבוצת מדענים מסין על הצלחת שיגור קוונטי למרחק של 97 ק"מ. שיא זה, שדווח באינטרנט כבר ב – 9 במאי, שובר את השיא הקודם שעמד על 16 ק"מ. כעת נראה שגם שיא זה נשבר, כאשר קבוצה של מדענים אירופאים וקנדיים דיווחו ב – 17 במאי על הצלחת שיגור קוונטי למרחק של 143 ק"מ, בין שני איים השייכים לאיים הקנאריים. נציין שמידע זה לא נבחן עדיין על ידי מדענים אחרים.

שתי הקבוצות ציינו שעבודה זו היא צעד ראשון לקראת שיגור לחלל, שבו מידע קוונטי ישוגר מכדור הארץ ללוויינים בחלל.