Όταν ακούει κανείς τον όρο “τηλεμεταφορά”, σκέφτεται φουτουριστικές σκηνές επιστημονικής φαντασίας, όπως στο Σταρ Tρεκ, στις οποίες ο χρήστης “διακτινίζεται” από ένα σημείο σε ένα άλλο μέσω κάποιας συσκευής. Η κβαντική τηλεμεταφορά δεν λειτουργεί ακριβώς έτσι, αλλά παραμένει πολύ εντυπωσιακή! Συγκεκριμένα, δεν αφορά την πραγματική φυσική μεταφορά ενός αντικειμένου από ένα σημείο σε ένα άλλο, αλλά τη μεταφορά χαρακτηριστικών κβαντικών ιδιοτήτων του αντικειμένου αυτού (ό,τι συνιστά επιστημονικά τη λεγόμενη “κβαντική κατάστασή” του) σε ένα άλλο αντικείμενο. Με το πέρας της διαδικασίας αυτής, ουσιαστικά το τελικό αντικείμενο καθίσταται αντίγραφο του αρχικού, οπότε τρόπον τινά “τηλεμεταφέρθηκε”.

Πώς επιτυγχάνεται όμως κάτι τέτοιο; Το κλειδί είναι οι απίστευτες ιδιότητες της κβαντικής φυσικής, δηλαδή των νόμων που διέπουν τη συμπεριφορά της ύλης μικροσκοπικού μεγέθους (πρακτικά από μοριακό και ατομικό επίπεδο και κάτω). Ειδικότερα, η τηλεμεταφορά βασίζεται στο φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής (quantum entanglement). Στο πλαίσιο της κβαντικής φυσικής οι ιδιότητες και η συμπεριφορά ενός σωματιδίου καθορίζονται από τη λεγόμενη “κβαντική κατάσταση” στην οποία βρίσκεται. Ο όρος “κβαντική κατάσταση” είναι κάπως αφηρημένη έννοια, αλλά στην ουσία περιγράφει ότι το σωματίδιο παίρνει συγκεκριμένες τιμές κάποιων μεγεθών, όπως για παράδειγμα το σπιν. Η κβαντική διεμπλοκή, λοιπόν, είναι το φαινόμενο στο οποίο οι καταστάσεις δύο (ή και περισσότερων) σωματιδίων είναι “μπλεγμένες” μεταξύ τους, δηλαδή αποτελούν αναπόσπαστα μέρη μίας μόνο κατάστασης που αφορά και τα δύο μαζί. Με άλλα λόγια, οι πληροφορίες των σωματιδίων αυτών είναι συσχετισμένες. 

Μια αναλογία από τον “κλασικό”, καθημερινό κόσμο ίσως είναι χρήσιμη εδώ. Απλοϊκά μιλώντας, μπορούμε να εννοήσουμε ως συσχετισμένα σωματίδια τα δύο παπούτσια ενός ζεύγους. Εδώ το “ανάλογο” της κβαντικής κατάστασης για το κάθε παπούτσι θα είναι το αν είναι “δεξί” ή “αριστερό. Ας σκεφτούμε τώρα ότι έχουμε την Αλίκη και τον Βασίλη οι οποίοι λαμβάνουν σε κλειστό κουτί ένα παπούτσι από το ζεύγος χωρίς να γνωρίζουν ποιο. Κατόπιν, η Αλίκη ανοίγει το κουτί και μαθαίνει ότι έχει το αριστερό παπούτσι: Εκείνη τη στιγμή αμέσως γνωρίζει ότι ο Βασίλης έχει το δεξί, επειδή ακριβώς είναι συσχετισμένα τα παπούτσια του ζεύγους!¹

Τι κάνουν οι επιστήμονες λοιπόν στη διαδικασία της τηλεμεταφοράς; Ας πούμε ότι η Αλίκη βρίσκεται στην Αθήνα και ο Βασίλης στο Τόκιο. Ο καθένας διαθέτει ένα από δύο κβαντικά συσχετισμένα σωματίδια, έστω Α η Αλίκη και Β ο Βασίλης. Επίσης, η Αλίκη διαθέτει ένα τρίτο σωματίδιο, έστω Γ, άγνωστης κατάστασης το οποίο επιθυμεί να “τηλεμεταφέρει” στον Βασίλη. Όλα τα σωματίδια αυτά συνιστούν κβαντικά bits (“qubits”), δηλαδή η κατάστασή τους παίρνει μόνο δύο δυνατές τιμές, όπως τα κλασικά bits παίρνουν 0 ή 1.

Αρχικά, η Αλίκη πραγματοποιεί μια μέτρηση που αφορά και τα δύο σωματίδια (Α, Γ) που διαθέτει (δηλαδή τη μέτρηση ενός μεγέθους που αφορά και τα δύο qubits, όχι στο καθένα ξεχωριστά, όπως το συνολικό τους σπιν, μέτρηση που ονομάζεται τύπου “Bell”). Έτσι μαθαίνει σε ποια από τις τέσσερις δυνατές καταστάσεις (δύο για το Α – “δεξί ή αριστερό παπούτσι”, με βάση την αναλογία μας, και αντίστοιχα δύο για το Γ, άρα τέσσερις πιθανοί συνδυασμοί²) βρίσκεται το σύστημά της. Η μέτρηση αυτή δημιουργεί μια συσχέτιση μεταξύ των Α και Γ.  Εν συνεχεία, η Αλίκη επικοινωνεί το εύρημα της στον Βασίλη μέσω κλασικού σήματος (συνήθως μέσω φωτονίων). Λόγω της κβαντικής συσχέτισης που αρχικά είχαν τα Α και Β, εκείνος είναι σε θέση να συμπεράνει άμεσα ποια είναι η κατάσταση του δικού του σωματιδίου, του Β. Επίσης, μέσω της νέας συσχέτισης των Α και Γ,  ο Βασίλης είναι σε θέση να εκφράσει την κατάσταση του σωματιδίου του, του Β, σαν ένα qubit όπως ήταν το Γ προ μέτρησης, παρότι η ακριβής κατάσταση του Γ δεν ήταν γνωστή (αυτό το βήμα καλείται στο παρακάτω σχήμα ως “μετασχηματισμός”)! Ουσιαστικά, η συσχέτιση μεταξύ Α και Β χρησιμοποιείται ως “γέφυρα” μεταφοράς πληροφορίας του Γ στο Β. Τα βήματα αυτά συνιστούν ένα “πρωτόκολλο” και μπορούν να υλοποιηθούν πρακτικά με πολλούς διαφορετικούς τρόπους.

Στην πράξη το πρωτόκολλο αυτό έχει επιβεβαιωθεί ήδη πολλές φορές, με ίσως πιο εντυπωσιακή τη “μεταφορά” ενός qubit από την Κίνα σε ένα διαστημικό δορυφόρο της. Η πιστότητα (fidelity) της μεταφοράς αυτής (δηλαδή το πόσο θα μοιάζει το “αντίγραφο” με το αρχικό σωματίδιο) περιορίζεται πρακτικά μόνο από την κλασική επικοινωνία των δύο μελών, είναι ήδη όμως υψηλή (γύρω στο 80% των πειραμάτων είχαμε επιτυχή μεταφορά!).  Χρησιμοποιούνται συνήθως φωτόνια, το σήμα των οποίων όμως αλλοιώνεται κατά τη μεταφορά, επομένως χρειάζεται ειδικής ποιότητας κανάλι μεταφοράς της πληροφορίας. Στο μέλλον είναι πιθανό να επεκταθεί το πρωτόκολλο αυτό και σε μεγαλύτερα αντικείμενα!

¹Στον κβαντικό κόσμο είναι πιο περίπλοκα και εντυπωσιακά τα πράγματα: εν αντιθέσει με το παράδειγμά μας στο οποίο η ιδιότητα “δεξί” ή “αριστερό” ήταν ήδη καθορισμένη πριν τη μέτρηση, στον κβαντικό πριν μετρήσουμε τα σωματίδια βρίσκονται σε “υπέρθεση” (superposition) όλων των δυνατών τιμών που μπορούν να πάρουν τα σωματίδια. Με βάση την καθιερωμένη ερμηνεία της κβαντομηχανικής, μόλις μετρούμε και μαθαίνουμε ποια είναι ακριβώς η τιμή του μεγέθους που εξετάζουμε, τότε η κατάσταση του σωματιδίου “καταρρέει” σε αυτήν που αντιστοιχεί στην τιμή του μεγέθους που βρήκαμε.Το ίδιο συμβαίνει αν κάπως μάθουμε την πληροφορία αυτή για το σωματίδιό μας, έστω και αν δεν πραγματοποιήσουμε εμείς τη μέτρηση!  

²Θεωρούμε εδώ ότι τα δύο ζευγάρια είναι διαφορετικά – δηλαδή μπορούμε να ξεχωρίσουμε το ζευγάρι Α από το Γ.

Περαιτέρω παραπομπές: 

1) Εξαιρετικό βίντεο:  https://www.youtube.com/watch?v=uLfHssrNxUk

2) Πλήρης ανάλυση: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_teleportation