طی‌الارض‌های کوانتومی ما را به ابوموسی خواهند برد

 به تازگی دو تیم تحقیقاتی در زمینه‌ی تله‌پورت کوانتومی، رکورد دورترین مسافتِ ثبت‌شده‌ی طی‌الارض را شکسته‌اند. آن ها با استفاده از عجایبِ مکانیک کوانتومی توانسته‌اند به صورت فی‌الفور، «شرایط»(یا «حالت») یک ذره‌ی کوانتومی را  به یک ذره‌ی دیگر در مکانی دورتر منتقل کنند. یکی از تیم‌ها  با استفاده از فیبر نوری کلکی سوار کرده و توانسته‌ حالت یک ذره‌ی کوانتومی نور(یا همان فوتون خودمان) را  6.2 کیلومتر آن طرف‌تر، بر فراز کالگری کانادا، به یک ذره مشابه القا کند تا ذره‌ی دوم، حالتِ همان ذره‌ی اول را به خودش بگیرد. تیم دوم هم که در شانگهای چین مشغول بودند، با ترفندهای دیگری توانسته‌اند حالت فوتون‌هایشان را تا 14.7 کیلومتر دورتر از مکان اولیه دورفرستی کنند.

به گزارش مجله نیچر فوتونیک، هر جفت تیم‌ها موفق بوده‌اند و شاید این موفقیت‌شان بالاخره ما را به اینترنت کوانتومی‌ برساند، اینرنتی که احتمالا جز هکرها همه از خبر رسیدنش خوشحال خواهند بود(اینترنت کوانتومی غیرقابل هک است). اما جدا از مساله‌ی اینترنت امنی که دیگر عکس‌های لختی سلبریتی‌هایش درز نمی‌کند، آیا «تله‌پورت» کوانتومی استفاده‌های دیگری هم دارد؟ مثلا می‌توانیم یکهو از توی خانه‌مان در تهران به جزیزه‌ی ابوموسی «دورانده» بشویم(به معادل من‌درآوری ما برای تله‌پورت توجه نکنید)؟ یا شاید هم بتوانیم سری به خزانه‌ی بانک محله‌مان بزنیم و سهم قرض‌الحسنه‌مان را به زور بگیریم؟

خدا خیرشان بدهد. ما از کی می‌توانیم  تله‌پورت‌ بشویم؟

درکمال شرمندگی باید تو چشمتان زل بزنیم و بگوییم…نه بخدا راه ندارد. دلیلش هم آن است که اسم تله‌پورت کوانتومی یکذره گول زننده است وگرنه حقیقت قضیه با آن تله‌پورتی که مد نظر شماست، زمین تا آسمان فرق می‌کنند. یعنی خیال این که بتوانید مثل یاروهای پیشتازان فضا از این سمت کهکشان به آن سمتش فرتی بروید را از فکرتان بندازید بیرون. تله‌پورت که سهل است حتی  فست‌تراول‌های بردرلندزی هم هنوز مربوط به علمی-تخیلی‌هایند. دلیلش هم این است که تله‌پورت‌های آشنای سینمایی عموما این طورند که شما اول در سطح اتمی تجزیه می‌شوید و بعد دوباره در یک فاصله‌ی خیلی دوری، بازسازی می‌شوید. آن هم بدون آن که یک دانه از اتم‌های بدنتان را از دست داده باشید. این درحالی‌ست که در تله‌پورت کوانتومی هیچ چیزی نه تجزیه می‌شود نه دوباره‌سازی می‌شود و نه حتی در فضا منتقل می‌شود. ضمن این که تله‌پورت کوانتومی همان‌طور که از اسمش برمی‌آید مربوط می‌شود به حوزه‌ی کوانتوم(یعنی آن جایی که مربوط به اتم‌ و اندرونی‌هایش است) و خاصه‌ی موجودات غریبی مثل فوتون و الکترون و پروتون و  این چیزهاست، نه چیزی به بزرگی و پیچیدگی زبانم لال بقال سر محل شما. خلاصه آن که تله‌پورت مد نظر شما و تله‌پورت کوانتومی، جز در نامشان هیچ وجه اشتراکی با یکدیگر ندارند( صد البته که هنوز این احتمال که بتوانیم از شما کلون بسازیم و کلون محترم را در مکانی که مد نظرتان است قرار بدهیم و بعدش حالت تک تک اتم‌هایتان را به تک تک اتم‌های کلون تان منتقل کنیم، از بین نرفته. منتها خودتان قضاوت کنید، نه تنها مجبورید برای تک تک مکان‌هایی که مد نظرتان است یک کلون بسازید، بلکه هربار که به این صورت تله پورت می‌کنید، در واقع دارید یک انسان بدبخت را که تصادفا شکل و شمایلش شبیه به شماست را از زندگی‌اش می‌کشید بیرون و می‌فرستیدش جای خودتان، تا بتوانید مثلا زودتر به صف نانوایی برسید. تازه این نوع تله‌پورت فقط برای مکان های خاصی که کلون‌تان آن جاست کاربرد دارد. بگذریم از این حقیقت که هنوز که هنوز است نتوانسته‌ایم(یا حداقل نخواسته‌ایم) حتی یک کلون انسانی بسازیم.

پس اگر این تله‌پورت چیزی منتقل نمی‌کند، به چه کاری می‌آید؟

وقتی که تله‌پورت کوانتومی را با فرستادن یه مشت آدم از این سر کهکشان به آن سر کهکشان مقایسه می‌کنیم، هم خیلی نامحسوس‌تر و ظریف‌تر به نظر می‌رسد هم بسیار کمتر جاه طلبانه است. تله‌پورت کوانتومی شرایط یا «حالت» یک ذره کوانتومی خاص را می‌گیرد و به ذره کوانتومی دیگری در فاصله دورتر منتقل می‌کند، بدون آن که خود ذره اول از جایش تکان بخورد(تقریبا انگار که ذره اول، ذره دوم را تسخیر کرده و جسمش(!) را تحت کنترل خودش گرفته). یک طورهایی مثل این می‌ماند که زمان را از روی یک ساعت بخوانید و ساعت دیگری را بر اساس همان زمان تنظیم کنید.

الان کل قضیه  عین این نیست که یک ساعت را از روی یک ساعت دیگر تنظیم کنیم؟

حالت یک ذره کوانتومی، مثل فوتون، بسیار پیچیده‌تر و ظریف‌تر از خواندن زمان از روی ساعت است. یعنی خب شما به راحتی آب خوردن دوتا ساعت را می‌گذارید کنار هم و یکی را از روی دیگری تنظیم می‌کنید، اما وقتی در مورد ذرات کوانتومی صحبت می‌کنیم اندکی قضیه پیچیده می‌شود. چرا؟ چون شما نمی‌توانید بدون تغییر در حالت ذره مذکور، خواص و حالاتش را اندازه گیری کنید. ضمن این که شما همین‌طوری نمی‌توانید حالت یک ذره را «کلون» کنید و روی ذره‌ی دیگری پیاده‌سازی‌اش نمایید. قوانین مکانیک کوانتوم این اجازه را به شما نمی‌دهد. در عوض باید بدون آن که ذره را بررسی نمایید و خواصش را اندازه‌گیری کنید، حالتش را به یک ذره‌ی دیگر انتقال بدهید. اگر بخواهیم طبق مثال ساعتمان پیش برویم، مثل این می‌ماند که بگوییم: زمان را بدون آن که از روی ساعت اولی بخوانیم، بر روی ساعت دومی تنظیم کنیم.

چطوری؟

راستش توضیح این امر اندکی دشوار است. برای این که بتوانیم اندکی بهتر موضوع را درک کنیم، بهتر است که یک مقدار پایه‌ی مکانیک کوانتوم‌مان را تقویت کنیم. یک فوتون مجرد را در نظر بگیرید. فوتون یک بسته‌ی امواج الکترومغناطیس است. به همین خاطر می‌توان آن را «قطبی» کرد تا میدان الکتریکی‌اش افقی یا عمودی بشود. به لطف جادوجنبل‌های مکانیک کوانتوم، فوتون می‌تواند در هر دوحالت افقی یا عمودی به صورت همزمان باشد-که یعنی فوتون را می‌شود همزمان هم به صورت افقی هم به صورت عمودی، قطبی کرد. میزان عمودی یا افقی بودن، به ما کمک می‌کند تا حالت فوتون را دریابیم.

اما قضیه حتی از این هم پیچیده‌تر می‌شود. به علاوه‌ی مخلوط افقی یا عمودی بودن فوتون، پارامتر دیگری هم برای توضیح حالت فوتون وجود دارد که یک جور زاویه(یا جهت قرارگیری) به اسم «فاز» می‌باشد. که یعنی حالت واقعی یک فوتون هم در برگیرنده‌ی مخلوط افقی یا عمودی‌اش و هم  حالت فاز آن است. برای این که بتوان در ذهن تصویر کرد که چه شده، یک کره یا در واقع یک حوزه کروی مجرد(یک کره‌ی انتزاعی) را در نظر بگیرید که قطب شمالش حالت عمودی محض است و در حالت دیگر قطب جنوبش افقی محض است.

اینگونه حالت دقیق فوتون یک نقطه روی این کره‌ی انتزاعی است. به گونه‌ای که عرض جغرافیایی‌اش توازن بین عمودی و افقی بودن حالت فوتون را مشخص می‌کند و طول جغرافیایی‌اش، فاز آن را. به همین خاطر، اگر مثلا نقاط روی خط استوای این کره را در نظر بگیریم، تک تک نقاط روی این خط استوا فوتون‌هایی‌اند که حالت افقی و عمودی‌شان با یکدیگر برابرند. اما فاز این نقاط، که با روش‌های اندازه‌گیری سخت‌تری به دست می‌آید، با یکدیگر متفاوت‌اند.

چرا  مختصات نقطه را از روی کره اندازه نمی‌گیرید؟

چون که ابزار اندازه‌گیری ذرات کوانتومی فقط می‌توانند اطلاعات محدودی را در اختیار ما بگذارند. یک فوتون را در نظر بگیرید که درحالت نامعلومی قرار دارد. در این وضیعت نمی‌توان یکهو بپرسیم که «مختصات» درون کره چیست. در عوض باید صورت سوالتان را به صورتی تغییر بدهید که بپرسید: «وضعیت این است یا آن یکی است؟» بذارید با یک مثال اندکی روشن‌ترتان بکنیم. فوتون فرضیمان را در نظر بگیرید، در این حالت سوالتان باید این باشد که فوتونه چگونه قطبی شده‌است؟ افقی یا عمودی؟  این سوالتان به یکی از جواب‌های احتمالی منتهی می‌شود که به حالت دقیق عمودی یا افقی بودن فوتون بستگی دارند. اما در ضمن شما فاز فوتون را نخواهید دانست و مهمتر از آن این که با این کار حالت اصلی فوتون «فرو می‌ریزد» که یعنی فوتون به سمت یک قطب جهت گیری می‌کند، یا عمودی محض یا افقی محض. چنین اختلالی در حالت اصلی ذره بر طبق نظریه کوانتوم غیرقابل اجتناب است.

حالت یک فوتون بوسیله یک «کره بلاخ[1]» توصیف می‌شود. عرض جغرافیایی نقطه(زاویه‌ی q) مخلوط عمودی و افقی بودنِ قطبیت را مشخص می‌کند. عرض جغرافیایی(زاویه‌ی j) هیچ مشابه کلاسیکی ندارد، اما بسیاری از اثرات عجیب کوانتوم را باعث می‌شود.

پس  فوتون تله‌پورت می‌کنید ولی حتی از حالتشان هم بی‌خبرید؟

برای این کار به یک مقدار فوتون‌ بیشتر و یک مقدار جادوجنبلِ مکانیک‌کوانتومیِ بیشتر نیاز داریم. دو فوتون می‌توانند از طریق یک راه ارتباطی مطمئن که «درهم‌تنیدگی» نامیده می‌شود، به همدیگر مربوط شوند(درهم‌تنیدگی Entanglement یعنی یکجور ارتباط غیبی بین دوذره‌ که با هم جفت‌شان کرده‌ایم. شاید شبیه دوقلویی‌هایی که اگر یکی‌شان مریض شود، آن یکی هم کیلومترها آن‌طرف‌تر حالش بد می‌شود!). وقتی که دو فوتون با یکدیگر درهم‌تنیده می‌شوند، حالت هریک به تنهایی، کاملا نامشخص است اما حالت هر فوتون قطعا به فوتون جفت خودش وابسته(همبسته) خواهد بود. پس در کره‌ی انتزاعی‌مان، مکان هر کدام از این دو فوتون کاملا نامعین می‌ماند-به عبارت دیگر به معنای واقعی کلمه، همزمان در همه‌جهات قرار دارند و ما از هیچ جهت خاصی خبر نداریم. اما با وجود چنین بلاتکلیفی‌ای، حالت این دو فوتون را می‌توان همبسته کرد تا هرچه‌که هستند کپی همدیگر باقی بمانند. به همین خاطر اگر شما بیایید و خوشحال و خندان اندازه‌گیری‌تان را انجام بدهید و حالت یکی از این دو فوتون را به گونه‌ای فرو بریزید که مثلا در کره‌ی فرضی‌مان جهتش بشود 40درجه شمالی و 80درجه غربی، می‌دانید که حالت آن یکی فوتون هم بلافاصله و بدون هیچگونه تاخیری دقیقا مانند فوتون اولی فروخواهد ریخت، صرف نظر از این که چه قدر از یکدیگر دورند. این چنین جفت‌هایی در تله‌پورت کوانتومی نقش فوق‌العاده مهمی را بازی می‌کنند.

بیایید ببینیم کل این پروسه چگونه کار می‌کند. اصغر و داریوش و گلنار را در نظر بگیرید، داریوش وسط ایستاده و اصغر و گلنار در طرفین او هستند. گلنار فوتونی را که می‌خواهد تله‌پورت کند را آماده می‌کند- که یعنی مکان قرار گیریش در کره انتزاعی را مشخص می‌کند. پس گلنار با استفاده از یک فیبر نوری، فوتونش را به سمت داریوش‌جان می‌فرستد. در همان زمان، داریوش هم دو تا فوتون درهم‌تنیده می‌پیچد که یکی را توی جیبش نگه می‌دارد و دیگری را سمت اصغر پرت می‌کند.

حالا سه تا فوتون توی بازی داریم و خب از حالا بازی جالب می‌شود. وقتی فوتون گلنار به دست داریوش می‌رسد، داریوش می‌تواند یک نوع خاص از اندازه‌گیری «مشترک» را روی  فوتونی که توی جیبش مانده و فوتونی که از گلنار دریافت کرده، انجام بدهد. چون  اندازه‌گیری کوانتومی حالت فوتون‌ها را به هم می‌ریزد، اندازه‌گیری داریوش این دو فوتونی که دستش هست را مجبور می‌کند که در یک حالت درهم‌تنیده قرار بگیرند(در واقع اندازه گیری داریوش یک کلک خاصی‌ست  طبق الگوی «وضعیت این است یا آن یکی است؟» تا این طوری بشود که «آیا فوتون‌ها در یک حالت درهم‌تنیده‌ی خاص قرار دارند یا یک حالت مکمل؟» تا فوتون‌ها بلافاصله بهشان بربخورد و درهم‌تنیده‌ بشوند).

اما به محض این که داریوش اندازه‌گیری‌اش را روی دو فوتون انجام می‌دهد-یکی که از گلنار گرفته و آن دیگری که از  جفت درهم‌تنیده‌ی اصلی‌ای بود که یکی‌شان توی جیبش ماند- یک اتفاق جالب رخ می‌دهد. آن یکی فوتون که داریوش طرف اصغر فرستاده بود، بلافاصله حالت فوتون اصلی گلنار را به خودش می‌گیرد. به عبارت دیگر گویا حالت فوتون گلنار به سمت اصغر تله‌پورت شده، آن هم حتی اگر اصغر کیلومترها دورتر از آن دو باشد(به زبان ساده چنین اتفاقی افتاده: ما اولش فقط یک جفت فوتون درهم‌تنیده در اختیار داریم. یکی‌شان را ایکس می‌نامیم و می‌گذاریمش قطب جنوب. آن یکی را ایگرگ می‌نامیم و نگهش می‌داریم. حالا برای این که بتوانیم حالت فوتون زد، که دوستمان بهمان داده را، به فوتون ایگرگ که در قطب است منتقل کنیم، می‌آییم فوتون ایکس و زد را هم به حالت درهم‌تنیده در می‌آوریم. به عبارت دیگر انگار که آمده‌ایم و فوتون ایگرگ و زد را درهم‌تنیده کرده‌ایم. در این وصعیت، پس حالت فوتون زد به ایکس منتقل شده و از طریق پیوند غیبیِ بین‌ فوتون ایکس و فوتون ایگرگ، حالت فوتون زد به فوتون ایگرگ هم منتقل می‌شود).

چرا این طور می‌شود؟

آزمایش عجیب غریبی که توضیح دادیم شدیدا به به ارتباط ذاتی‌ای چیزهای درهم‌تنیده، بستگی دارد. مضاف بر آن، اگر می‌خواهید بدانید که چرا حالت اتم گلنار آخر سر به اتم اصغر انتقال یافته، مجبورید به سراغ ریاضیات بروید و با آن کلنجار بروید. وقتی با ریاضیات دمخور شدید و این‌ها، آن موقع هرکسی که درس جبر را در دبیرستان توانسته با نمره‌ی خوبی پاس کند، می‌تواند محاسبات قضیه را انجام بدهد (راستی این یکی از فواید جبر است که آن همه در دبیرستان می‌نالیدید که«اخه به چه دردی می‌خوره؟»).

پس یعنی کاری که فیزیکدان ها واقعا انجام می‌دهند اینقدر مسخره است؟

تقریبا. تنها تفاوتی که وجود دارد این است که فیزیکدان ها برای حالت پایه فوتون‌ها از دو زمان ظهور که تفاوت بسیار کمی با هم دارند استفاده می‌کنند. نه این که به طور متفاوتی قطبی‌شان کنند. قسمت سخت آزمایش کذا این بود که ضمانت شود که دوتا فوتونی که به سمت اصغر فرستاده شده‌اند، در یک زمان کلی مشابه به اصغر برسند و از نظر رنگ و قطبیت همسان باشند. اگر می‌توانستید بین دو فوتون تمایزی قائل شوید، آن وقت آزمایش شکست خورده بود و کار نمی‌کرد. این‌ها چالش‌های تکنیکی‌ای هستند که سد راه طی‌الارض‌های  مسافت‌بلند است.

فایده همچین کاری بالاخره چیست؟

هرچند که کل مبحث‌مان انتزاعی‌ست، با این حال تله‌پورت کوانتومی این اجازه را به ما می‌دهد که اینترنت کوانتومی بوجود بیاوریم. این اینترنت مانند همین اینترنت خودمان خواهد بود، اما به جای این که اطلاعات را به صورت کلاسیک منتقل کند، حالات کوانتومی و اطلاعاتی که این حالات درون خودشان ذخیره کرده‌اند را، منتقل می‌کند. که اساسا صفر و یک هایی می‌باشند که کامپیوترها باهاشان کار می‌کنند.

همین الان که درحال مطالعه‌ی این مقاله می‌باشید، فیزیکدان‌ها و مهندسان، شبکه‌های اینترنتی کوانتومی‌ای ساخته‌اند که پیام‌های امن را از طریق فیبر نوری منتقل می‌کند. این فن‌آوری‌ها با استفاده از تک‌فوتون‌هایی کار می‌کنند که وظیفه‌شان این است که کلیدهای عددی را برای باز کردن و قفل کردن پیام‌های رمزی، توزیع کنند. آن‌ها از این موضوع بهره می‌برند که  نمی‌شود کسی استراق سمع کند و با استراق سمعش حالت فوتون را تغییر ندهد و حضور خودش را لو ندهد(استراق سمع هم یکجور اندازه‌گیری حساب می‌شود). اما فی‌الحال، این شبکه‌ها کاملا مکانیک کوانتومی نیستند، زیرا که پیام ها باید درهر گره[2] بین فیبرهای نوری شبکه، رمزگذاری و رمزگشایی شوند. که یعنی این گره‌ها را هکرهای حرفه‌ای می‌توانند هک کنند.

با استفاده از تله‌پورت کوانتومی، فیزیکدان‌ها و مهندسان می‌توانند یک راه ارتباطی درهم‌تنیده بین گره‌های دور از هم درون یک شبکه ایجاد کنند. در حقیقت، چنین چیزی به کاربران این اجازه را می‌دهد که در چنین گره‌هایی، پیام‌های رمزگذاری‌شده‌ای را بفرستند که در گره‌های بین راه، قابلیت رمزگشایی را ندارند و در واقع غیرقابل هک می‌شوند.  و اگر فیزیکدان‌ها روزی بتوانند که یک کامپیوتر همه‌کاره‌ی کوانتومی بسازند- که از کیوبیت که می‌تواند تنظیم شود تا صفر، یک، یا هم صفر و یک باشد، استفاده می‌کند تا بتواند محاسباتی که یک کامپیوتر معمولی هیچ گاه قادر به حل کردنشان نخواهد بود را، انجام دهد – ، آنوقت چنین اینترنت کوانتومی‌ای به کاربران این اجازه را می‌دهد که بوسیله پایانه‌های دوردست[3] به تنظیمات اولیه‌ی کامپیوتر دسترسی داشته باشند.

کِی یکدانه‌ش دست ما می‌رسد؟

واقعا مشخص نیست. اما احتمالا ظهور اینترنت کوانتومی  خیلی زودتر از آن موقع  باشد که سر و کله‌ی اولین کامپیوترهای همه‌کاره‌ی کوانتومی پیدا بشود.

  ابوموسی سر کاری بود؟

شرمنده‌، منتها حالاحالاها برای طی‌الارض‌ به ابوموسی باید صبر کنید. ولی کار نشد ندارد. توکل به خدا.

پانویس‌ها:

[1] کره بلاخ

[2] گره (به انگلیسی: Node)، در شبکه‌های ارتباطی، نقطهٔ اتصالی است که یا نقطهٔ انشعاب است و یا نقطهٔ پایانی ارتباط است. تعریف گره، به شبکه و پروتکل لایهٔ ارجاع‌شده بستگی دارد. یک گرهٔ شبکهٔ فیزیکی، یک دستگاه فعال الکترونیکی است که به یک شبکه وصل شده است، و قابلیت فرستادن، دریافت، یا بازفرستادن اطلاعات بر روی یک کانال ارتباطی را دارد. بنابراین یک نقطهٔ توزیع منفعل مثل فریم توزیع، یک گره نیست.

[3]  remote terminal unit

متن ترجمه‌ی آزادی بود از مقاله‌یBig step for quantum teleportation won’t bring us any closer to Star Trek. Here’s why  منتشر شده در سایت مجله‌ی ساینس.

سفید کاغذی

جدیدترین شماره کاغذی سفید را بخرید

شماره ۳: پری‌زدگی

خرید این شماره