ניסוי חדש בטלפורטציה קוונטית

ניסוי חדש בטלפורטציה קוונטית

“ohne spukhafte Fernwirkungen”, Albert Einstein

מהי טלפורטציה קוונטית? מה שאלברט אינשטיין הכריז לחברו מקס בורן ב-3 למרץ 1947: “…הפיזיקה צריכה לייצג מציאות בזמן ובחלל, חופשית מפעולה למרחוק של רוחות רפאים”. טלפורטציה קוונטית היא אותה פעולה למרחוק של רוחות רפאים… מעבר של מידע ממקום אחד לאחר מבלי שהמידע יעבור דרך תווך פיזיקאלי. במשך השנים בוצעו מגוון ניסויים בטלפורטציה.

ב-23 לינואר אתמול, לראשונה, מדענים דווחו שהם הצליחו להעביר בטלפורטציה מידע בין שני אטומים נפרדים במיכלים שהם לא היו מחוברים זה לזה במרחק של מטר זה מזה. כלומר, החוקרים הצליחו להעביר בטלפורטציה מידע מאטום לכוד במיכל אחד לאטום אחר שהיה סגור במיכל השני שנמצא במרחק של מטר אחד מהמיכל הראשון.

זהו צעד אחד קדימה בהשגת המטרה של טלפורטציה ועיבוד מידע קוונטי מעשי, וניתור קוונטי ויסיע, כך הם טוענים, ליצרני הקודים ומפצחיהם. התקווה היא שהישג זה יועיל למערכות תקשורת סופר-מובטחות, כמו גם למחשבים סופר-מתוחכמים שיכולים כיום לפצח את הקודים הקריפטוגרפיים של היום או למיין בסיסי נתונים עצומים.

אולם אנחנו מעט רחוקים מהטלפורטר המפורסם ממסע בין כוכבים ששיגר את קפטן קירק ורעיו מהחללית אנטרפרייז ליעדם בחלל החיצון וחזרה.

נראה שהטלפורטציה היא אכן צורת המעבר המסתורית ביותר של הטבע: מידע קוונטי, כמו הספין של החלקיק או הקיטוב של הפוטון, מועברים ממקום אחד לאחר, מבלי שינועו דרך כל תווך פיזיקאלי. קודם לכן הצליחו לקבל מעבר שכזה בין פוטונים על פני מרחקים גדולים, בין פוטונים ומצבורי אטומים, ובין שני אטומים סמוכים באמצעות הפעולה המתווכת של אטום שלישי. אולם, אף אחד מהניסויים האלה לא סיפק אמצעי סביר ושמיש להחזקת והניהול של מידע קוונטי על פני מרחקים גדולים.

עתה קבוצה מהמכון הקוונטי באוניברסיטת מרילנד ומאוניברסיטת מישיגן הצליחו לבצע טלפורטציה למצב קוונטי ישירות מאטום אחד לאחר על פני מרחק ניכר. יכולת זו הכרחית למערכות מידע קוונטיות מעשיות בגלל שהן תדרושנה אחסון זיכרון גם בקצה השולח וגם בקצה המקבל של התמסורת.

המדענים דווחו ב-23 לינואר בגיליון של כתב העת המדעי היוקרתי Science (ראו אבסטרקט למטה), שתוך שימוש בפרוטוקול שלהם, ניתן לבצע רפליקציה (העתקה), טלפורטציה של אטום-לאטום בדיוק מושלם בבערך 90 אחוז מהזמן – ויותר מזה, ניתן לשפר את המספר הזה.

בהצהרה לתקשורת, סופר שלמערכת הניסויית של המדענים יש את הפוטנציאל ליצור את הבסיס של מה שהם מכנים “רפליקטור קוונטי” גדול שיכול לרשת זיכרונות קוונטיים על פני מרחקים עצומים – כך לפי המוביל של קבוצת המחקר כריסטופר מונרו מהמכון המשותף הקוונטי והמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת מרילנד.

Monroe

כריסטופר מונרו 

בנוסף, ניתן להשתמש בשיטות שלנו, טוען מונרו, יחד עם אופרציות ביט קוונטיות כדי ליצור רכיב מפתח שדרוש לחישוב קוונטי. מחשב קוונטי יוכל לבצע משימות מסוימות, כמו חישובי הצפנה וחיפושים בבסיסי נתונים עצומים, וזאת בצורה שהיא אלפי מונים יותר מהירה מאשר מכונות קונבנציונאליות. המאמץ לפתח מודל פועל הוא עניין שהוא אינטרס כלל עולמי, כך לדעת מונרו.

הטלפורטציה פועלת על בסיס התופעה הקוונטית שידועה בשם שזירה קוונטית או בשם הלועזי “אנטנגלמנט” entanglement, שהיא מופיעה רק בסקאלת הגודל האטומית והתת-אטומית. ברגע ששני עצמים הם במצב שקרוי שזירה,  או בסופרפוזיציה של מצבים, תכונותיהם שזורות יחד בצורה כזו שהיא בלתי ניתנת להתרה. למרות שהתכונות האלה הן באופן אינהרנטי בלתי ידועות עד אשר מתבצע אקט המדידה, מדידת אחד משני העצמים באותו הרגע מיד קובעת את המאפיינים של העצם האחר, ולא משנה כמה רחוק זה מזה הם נמצאים.  

קבוצת המחקר מאוניברסיטת מרילינד ומאוניברסיטת מישיגן בצעו ניסוי שבו היו שני יונים בודדים (שכונו A ו-B) של איטרביום (יסוד מתכתי) שמצבם הקוונטי היה שזור, וזאת כדי שמידע שגלום במצב של יון איטרביום אחד יוכל לעבור טלפורטציה לאחר. הקבוצה בודדה כל יון במלכודת בודדה בואקום גבוה, כאשר הוא שרוי בכלוב בלתי נראה של שדות אלקטרומגנטיים ומוקף באלקטרודות מתכתיות.

ראו האיור הזה:

החוקרים אז הגדירו שתי רמות אנרגית יסוד (הנמוכות ביותר) שניתן להבחין ביניהן של היונים שישרתו כערכי הביט האלטרנטיביים של ביט קוונטי אטומי או “קיוביט” qubit. ביטים אלקטרוניים קונבנציונאליים, כמו אלה שיש במחשבים הביתיים שלנו, הם תמיד בשני מצבים: או כבוי או דלוק. כלומר או אפס או אחד, או מתח גבוה או מתח נמוך. לעומת זאת ביטים קוונטיים יכולים להופיע בצירוף מסוים שקוראים להם, כמו בפתרונות הקוונטיים, סופרפוזיציה של שני המצבים באותו הזמן. וזאת עד אשר המדידה מבוצעת ו”בוחרת” במצב אחד משני המצבים שמצויים בו-זמנית.

מהלך הניסוי: בתחילת התהליך הניסויי, כל יון היה ברמת יסוד מסוימת. היון הראשון A הוקרן בפרץ גלי מיקרוגל שהיה תפור בצורה מיוחדת מאחת מהאלקטרודות שבכלוב שלו, וזה מיקם את היון הזה בסופרפוזיציה רצויה כלשהי של שני מצבי הקיוביט – כתוצאה נכתב לתוך הזיכרון שלו המידע שיש להעבירו בטלפורטציה.

שלב ראשון: הכנת היונים

מיד אחר כך, שני היונים מעוררים למשך פיקו-שנייה (כלומר, למשך טריליוני השנייה) על ידי פולס של לייזר. משך הפולס הוא כה קצר כדי שכל יון יפלוט רק פוטון אחד בעודו מסיר ממנו את האנרגיה שהוא רכש מהליזר וכך הוא יורד חזרה לאחת מרמות היסוד של הקיוביט. תלוי לאיזו מבין שתי רמות הקיוביט הוא יורד, היון פולט אחד משני סוגים אלה של פוטונים בעלי סוגים שונים מעט אלה של אורך גל (שמסמנים אותם באדום או בכחול) שהם תואמים לשני מצבי הקווביט האטומיים. זהו היחס בין פוטונים אלה שלבסוף יספק את הסיגנל המגלה שהנה התרחשה אכן השזירה הקוונטית כאן.

כל פוטון שנפלט נלכד על ידי עדשות, שהן מושרשות למעמד נפרד של כבל סיב אופטי, והפוטונים נישאים למפצל קרניים 50-50 שם יש סיכוי שווה בשווה לכל פוטון לעבור היישר דרך המפצל או להיות מוחזר. מכל צד של מפצל הקרניים ישנם גלאים שיכולים לרשום את הגעת הפוטון הבודד.

בטרם כל פוטון מגיע למפצל הקרניים, הוא נמצא בסופרפוזיציה של מצבים לא ידועים. לאחר שכל פוטון פוגש את המפצל, כל אחד מהם נוטל על עצמו מאפיינים מסוימים. כתוצאה, עבור כל זוג פוטונים, ארבעה צירופי צבע הם אפשריים – כחול-כחול, אדום-אדום, כחולאדום ואדוםכחול וגם אחת משני הקיטובים: אופקי או אנכי.

כמעט בכל הוריאציות האלה, הפוטונים או שמבטלים זה את זה או ששניהם מסתיימים באותו גלאי. אבל ישנו צירוף אחד ויחיד שבו שני הגלאים יציינו פוטון בדיוק באותו הזמן. במקרה זה, יהיה זה פיזיקאלית בלתי אפשרי לומר איזה יון יצר איזה פוטון, כי לא ניתן לדעת האם הפוטון שמגיע לגלאי עבר דרך מפצל הקרניים או הוחזר על ידו.

 

שלב שני: התאבכות הפוטונים.

תודות לחוקים המוזרים של מכניקת הקוונטים, אי ודאות אינהרנטית זו משליכה את היונים למצב שזור. כלומר, כל יון הוא בסופרפוזיציה של שני מצבי קיוביט אפשריים. הגילוי הסימולטאני של פוטונים בגלאים לא מתרחש לרוב, כך שיש לשוב אלפי פעמים בשנייה על העירור על ידי הליזר ותהליך פליטת הפוטון. אבל כאשר פוטון מופיע בכל גלאי, זה סימן שלא משתמע לשני פנים לשזירה קוונטית בין שני היונים.

כאשר מזהים מצב שזור, המדענים מיד מודדים את היון הראשון A. פעולת המדידה מאלצת אותו ומוציאה אותו מהסופרפוזיציה אל תוך מצב מוגדר: אחד משני מצבי הקיוביט. אבל בגלל שהמצב של היון הראשון A הוא קשור בצורה בלתי הפיכה בזה של היון השני B, המדידה הזו גם מאלצת את היון השני B למצב קומפלמנטרי. תלוי באיזה מצב היון הראשון A מצוי בו, לפי זה החוקרים יודעים בדיוק איזה פולס גלי מיקרוגל ליישם ליון השני B בכדי לשחזר את המידע המדויק שנכתב ליון הראשון A על ידי פרץ גלי המיקרוגל. בעושם כן, הם מקבלים את התוצאות בטלפורטציה המדויקת.

שלב שלישי: הטלפורטציה עצמה.

מה מבדיל למעשה תוצאה זו מטלפורטציה או מכל צורה אחרת של תקשורת? שום מידע ששייך לזיכרון המקורי למעשה לא חלף בין היון הראשון A ליון השני B. במקום, המידע נעלם כאשר היון הראשון A נמדד ומופיע חזרה כאשר פולס המיקרוגל מיושם ליון השני B. בנוסף, השיטה משלבת את היתרון של האטומים והפוטונים, אומר מונרו, בשם נציגי הקבוצה. פוטונים הם אידיאלים למעבר מידע מהיר על פני מרחקים רבים, בעוד שאטומים מספקים מדיום רב-ערך לזיכרון קוונטי שלו יכולת חיים לזמן רב. השילוב מייצג ארכיטקטורה אטרקטיבית ל”רפליקטור קוונטי”, שיאפשר למידע קוונטי להיות מועבר על פני מרחקים הרבה יותר גדולים מאשר ניתן לעשות זאת רק בעזרת פוטונים. בנוסף, סבור מונרו, הטלפורטציה של מידע קוונטי בדרך הזו יכולה ליצור את הבסיס לסוג חדש של אינטרנט קוונטי, שיכול לעלות בביצוע על הסוג הקונבנציונאלי של הרשת הקונבנציונאלית במשימות מסוימות.

המאמר המלא.

המאמר:

Science 23 January 2009:
Vol. 323. no. 5913, pp. 486 – 489
DOI: 10.1126/science.1167209

  

Reports

Quantum Teleportation Between Distant Matter Qubits

S. Olmschenk,1* D. N. Matsukevich,1 P. Maunz,1 D. Hayes,1 L.-M. Duan,2 C. Monroe1

Quantum teleportation is the faithful transfer of quantum states between systems, relying on the prior establishment of entanglement and using only classical communication during the transmission. We report teleportation of quantum information between atomic quantum memories separated by about 1 meter. A quantum bit stored in a single trapped ytterbium ion (Yb+) is teleported to a second Yb+ atom with an average fidelity of 90% over a replete set of states. The teleportation protocol is based on the heralded entanglement of the atoms through interference and detection of photons emitted from each atom and guided through optical fibers. This scheme may be used for scalable quantum computation and quantum communication.

1 Joint Quantum Institute (JQI) and Department of Physics, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA.
2 FOCUS Center and Department of Physics,
University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109, USA.

 

עדכון: קראו את המאמר הבא: האם תופעת האנטנגלמנט וחוסר הלוקאליות שבמכניקת הקוונטים מאיימים על תורת היחסות הפרטית?

Was Einstein Wrong?: A Quantum Threat to Special Relativity

Entanglement, like many quantum effects, violates some of our deepest intuitions about the world. It may also undermine Einstein’s special theory of relativity

By David Z Albert and Rivka Galchen

Albert Einstein 

 

Advertisements

0 thoughts on “ניסוי חדש בטלפורטציה קוונטית

  1. כמו כל דבר במכניקת הקוונטים.
    שאלה אם אפשר:
    מהמעט שידוע לי על אינשטיין, תופעת ה”סיבוכיות” היא משהו שאינשטיין לא ידע מעולם להסביר, כיוון שהיא כללה קשר בין שני חלקיקים העולה בחוזקו על מהירות האור.
    האם יש הסברים מודרניים לתופעה הזו, אולי אפילו במסגרת תיאוריית המיתרים?

  2. מנסים ליישב בין הקוונטים ליחסות אבל הבעיה נותרת, שני חלקיקים מתקשרים במה שנראה כאילו כתקשורת שמפרה את עקרון מהירות האור.
    ואינשטיין לא יכל לקבל זאת.
    יש המבינים בתחום הרבה יותר טוב ממני והעוסקים בזאת וזוהי התמחותם, וניתן לקרוא את עבודותיהם – אפילו בארץ.
    ראה המחקרים של לב וידמן, דניאל רורליך, יקיר אהרונוב ואחרים.

  3. אפשר להבין גם מהניסוי את התנועה של האור אחורה וקדימה בזמן .
    תודה מראש

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s