آیا تله پورت کوانتومی ، تحقق رویاهای دیرینه‌ی بشری است؟

تله‌ پورت یکی از قدیمی‌ترین رویاهای بشر عجیب و غریب بشری است که بیشتر با نام طی‌الارض شناخته می‌شود: فرآیندی کاملا ماکروسکوپی که در آن، یک انسان می‌تواند به صورت آنی از یک محل به محل دیگر منتقل شود. اما به طور کلی، منظور از تله پورت، انتقال ماده از مکانی به مکان دیگر بدون عبور از فضای فیزیکی بین آنهاست. کلمه‌ی تله پورت (teleportation) ترکیبی از پیشوند یونانی تله (tele) به معنای «دور» و واژه لاتین (portation) به معنای «انتقال و جابجایی» است. تله پورت موضوعی بحث برانگیز در فیلم‌های علمی تخیلی مثل Star Treck است که تا پیش از مکانیک کوانتومی، خیلی جایی در مباحث علمی نداشت، اما حالا تله پورت کوانتومی که خبر از تله پورت در دنیای کوانتومی می‌دهد،‌ امیدها را برای تحقق این رویای دیرینه‌ی بشر زنده کرده است. با دیپ لوک همراه باشید…

اجازه ندهید نام جذاب تله پورت کوانتومی (quantum teleportation) شما را منحرف کند؛ سوالات الهام گرفته از این پدیده‌ی اشتباه نام‌گذاری شده‌ی جنجالی به قلب مکانیک کوانتومی بازمی‌گردد. «اولین شی تله پورت شده به مدار زمین»: این تیتر بی‌بی‌سی باید یکی از خارق العاده‌ترین تیترهای امسال باشد. به نظر می‌رسد برای اولین بار، آینده‌ی وعده داده شده در فیلم‌های علمی تخیلی، فرارسیده است! این مقاله در مورد گزارش‌هایی از دانشمندان چینی صحبت می‌کند که حالت کوانتومی فوتونی بر روی زمین را به فوتون دیگری روی ماهواره‌ای در حال پرخش در فاصله‌ی حدود ۱۴۰۰ کیلومتری زمین، منتقل کردند. این نوع انتقال که به تله پورت کوانتومی معروف است، اولین بار ۲۰ سال پیش در آزمایشگاه ثابت داده شده بود.

عبارت تله پورت کوانتومی می‌تواند شما را به اشتباه بیاندازد، درست مثل تیتر بی‌بی‌سی! گزارش کار این کشف نشان می‌دهد دانشمندان به طور موفقیت آمیزی ذرات کوانتومی درهم تنیده را انتقال داده‌اند. اگرچه ممکن است خیلی گیج شوید، اما باید بدانید برخلاف دستگاه‌های تله پورت در فیلم‌های علمی تخیلی، در این فرایند کوانتومی چیزی به صورت فیزیکی منتقل نمی‌شود. اما صبر کنید: مگر شخصی قبلا نمی‌گفت اطلاعات، فیزیکی است؟ این فیزیکدان رولف لانداور (Rolf Landauer)، پیشگام نظریه‌ی اطلاعات بود، پس اگر چیزی به‌طور فیزیکی منتقل نشود، چگونه می‌توان آن را از نقطه‌ی A به نقطه‌ی B ارسال کرد؟

این یکی از مسائل عمیقی است که فیزیکدانان و فیلسوفان کوانتومی هنوز هم درباره‌ی آن بحث می‌کنند. آیا تله پورت کوانتومی به عنوان یک اصطلاح، راهی برای نقل کردن یک ایده‌ی علمی است یا اصطلاحی گمراه کننده همانند آنچه در فیلم‌های علمی تخیلی می‌بینیم؟ سوال اساسی این است که در طول تله پورت کوانتومی دقیقا چه چیزی منتقل می‌شود و چگونه؟ بیایید عمیق‌ نگاه کنیم!

تله پورت کوانتومی یا تله‌فرسیس کوانتومی (Quantum telepheresis)

من شک دارم اگر دو فیزیکدان اشر پرز (Asher Peres)  و ویلیام ووتر (William Wootters) زمانی که این فرایند کوانتومی اولین بار در سال ۱۹۹۳ پدیدار شد، آن را «تله‌فرسیس» می‌نامیدند، امروزه شاهد تیترهای مربوط به آن بودیم! همکار این دو فیزیکدان، چارلز بنت (Charles Bennett) بود که عبارت تله پورت کوانتومی را به جای آن پیشنهاد کرد.

این فرآیند هر چیزی که نامیده می‌شود، حالت کوانتومی ذره‌ای را بر روی یک ذره‌ی مشابه دیگر منتقل می‌کند و همزمان حالت کوانتومی ذره‌ی اصلی را پاک می‌کند. این حالت نمی‌تواند به طور معنی داری از حالت ذره‌ی اصلی که به مقصد منتقل شده، قابل تشخیص باشد: یعنی انتقال واقعا اتفاق نیفتاده، اما از هر لحاظ مشابه ذره‌ی اصلی است. حتی اگر ندانید چه اطلاعاتی ارسال می‌کنید، (یعنی حالت کوانتومی ذره‌ی اصلی را ندانید)، باز هم، همین امر، صادق است. این نکته، بسیار مهم است، زیرا اندازه‌گیری یک سیگنال کوانتومی نامعلوم می‌تواند آن را مختل کرده و تغییر دهد.

تله پورت حالت کوانتومی، از پدیده‌ی درهم تنیدگی کوانتومی (quantum entanglement) به عنوان وسیله‌ای برای انتقال استفاده می‌کند. وقتی دو یا چند ذره، درهم تنیده می‌شوند، حالات کوانتومی آن‌ها وابسته به یکدیگر است و در این میان، مهم نیست آنها تا چه حد از هم دور هستند. در نتیجه، ذرات در هم تنیده به صورت یک شی کوانتومی واحد رفتار می‌کنند که با یک تابع موج واحد توصیف می‌شوند (تابع موج، ساختاری ریاضی است که تمام ویژگی‌های شی کوانتومی را ذخیره می‌کند).

پس تله پورت کوانتومی با درهم تنیده کردن یک جفت ذره برای راه اندازی کانال انتقال کوانتومی آغاز می‌شود. ذره‌ی A (آلیس) روی فرستنده نگه داشته می‌شود و ذره‌ی B (باب) به گیرنده ارسال می‌شود. از آنجا که ذرات، درهم تنیده و در نتیجه وابسته به یکدیگر هستند، اگر آلیس عملیات فیزیکی بر روی خود انجام دهد، آن عملیات بلافاصله در حالت کوانتومی باب، منعکس ‌می‌شود. آلیس ذره‌ی دیگری به نام C نیز دارد که حالت کوانتومی آن را نمی‌داند، اما می‌خواهد به سوی B تله پورت کند.

برای انجام تله پورت، آلیس نوع خاصی از اندازه‌گیری با نام اندازه‌گیری بل (Bell measurement) را بر روی ذرات A و C با هم انجام می‌دهد. بسیار مهم است که این اندازه‌گیری، حالت ذره‌ی C را برای آلیس آشکار نمی‌کند، اما به دلیل درهم تنیدگی دو ذره‌ی A و B، ذره‌ی B را در حالتی قرار می‌دهد که می‌تواند به هر حالتی که C در ابتدا داشت، تبدیل شود، اما آلیس با انجام این اندازه‌گیری، آن حالت را از خود C پاک کرده است.

عملیات مورد نیاز باب برای اعمال و کامل کردن تله پورت چیست؟ باب می‌تواند نتیجه را از خروجی اندازه‌گیری بل آلیس بدست آورد. آلیس باید این خروجی را با برخی از روش‌های کلاسیکی مثل ایمیل، تلفن، کبوتر حامل و یا هر روش کلاسیکی دیگری، به باب بفرستد. هنگامی که باب آن را می‌گیرد، می‌فهمد باید چه کاری انجام دهد تا B را به شکل مشابه با اصل C تغییر دهد.

کپی کردن ممنوع!

دیدگاه رایج این است که تله پورت کوانتومی یک روش جدید انتقال اطلاعات است: نوعی وای-فای کوانتومی با سرعت بالا. نکته‌ی شگفت انگیز، آن است که اطلاعات کوانتومی بلافاصله (سریعتر از نور) ارسال می‌شوند، چون دو ذره‌ی درهم تنیده سریعتر از سرعت نور با هم ارتباط برقرار می‌کنند، پس با نسبیت خاص که می‌گوید هیچ چیزی نمی‌تواند سریعتر از نور حرکت کند، چه کنیم؟ این مسئله، اعتراض اینشتین به تفسیر استاندارد درهم تنیدگی کوانتومی را برانگیخت (که آن را کنش شبح وار از فاصله دور نامید). در واقع برای حفظ قانون علیت، نسبیت خاص هر حرکتی سریعتر از نور را ممنوع می‌کند: یک رویداد در یک مکان نمی‌تواند در زمانی کمتر از آنچه که طول می‌کشد تا نور بین دو مکان سیر کند، اثر فیزیکی و قابل مشاهده‌ای در مکان دیگری داشته باشد. واقعیت این است که تله پورت کوانتومی هیچ تاثیر علیتی را سریعتر از نور انتقال نمی‌دهد، زیرا شما به یک کانال کلاسیکی (در بهترین حالت، محدود به سرعت نور) نیز نیاز دارید تا فرآیند را کامل کنید.

این نکته‌ی مهم را فراموش نکنید که حالت تله پورت شده در حقیقت، هرگز کپی نشده است. در واقع، حالت منتقل‌شده در تله پورت، به کمک درهم تنیدگی نابود شده و این نکته، تضمین می‌کند که هرگز یک نسخه‌ی کپی‌شده وجود ندارد که یک اصل اساسی در مکانیک کوانتومی به نام قضیه‌ی تکثیرناپذیری (no-cloning) را نشان می‌دهد. طبق این قضیه، ایجاد یک کپی از حالت کوانتومی دلخواه (نامعلوم)، غیرممکن است. این ممنوعیت باعث بروز مشکلات مربوط به خطاهای بررسی در محاسبات کوانتومی می‌شود، اما فایده‌ی بسیار مهمی در رمزنگاری کوانتومی دارد: استراق سمع پیام رمزگذاری‌شده در حالات کوانتومی غیر ممکن است! قضیه‌ی تکثیرناپذیری بیشتر ناشی از پیچیدگی فنی اطلاعات کوانتومی است. برخی محققان معتقدند این قضیه، به جای اینکه نتیجه‌ای از قوانین مکانیک کوانتومی باشد، در واقع یکی از اصول ژرفی (تقریبا یک اصل اساسی) است که در وهله‌ی اول منجر به پدیده‌های کوانتومی ضد بصری مانند درهم تنیدگی کوانتومی می‌شود.

اطلاعات چیست؟

پس دقیقا چه چیزی از طریق درهم تنیدگی منتقل می‌شود؟ به‌طور کلی این سوالی پیچیده برای نظریه‌ی اطلاعات کوانتومی است: مشخص نیست «اطلاعات» در اینجا به چه معناست. چیزی که در درهم تنیدگی انتقال می‌یابد، نه به معنای اطلاعات در مفهوم نظریه‌ی اطلاعات کلاود شانون (Claude Shannon) است (که در آن، هر چه پیام تصادفی‌تر باشد مقدار انتروپی افزایش می‌یابد) و نه به مفهوم یادداشت اداری (که در آن اطلاعات تنها در زمینه‌ی درست معنادار می‌شوند). پس اطلاعات دقیقا در مورد چه چیزی است؟

این مسئله، در قلب نظریه‌ی اطلاعات کوانتومی، حل نشده باقی مانده است. مثلا آیا اطلاعات در مورد برخی واقعیت‌های اساسی است یا در مورد اثرات مداخله‌ی ما در آن؟ اطلاعات عمومی به همه‌ی ناظران و یا اطلاعات شخصی برای هر کس؟ آیا صحبت کردن از اطلاعات کوانتومی به عنوان چیزی که جریان دارد مانند مایع در لوله، از محلی به محل دیگر می‌تواند معنی دار باشد؟ کسی نمی‌داند (حتی اگر کسی به شما گفت می‌داند!). اگر بتوانیم پاسخ این سوالات را بیابیم، ممکن است سرانجام به درک معنای واقعی مکانیک کوانتومی، نزدیک شویم. بنابراین شگفتی واقعی تله پورت کوانتومی ، استفاده از آن برای پیشرفت تکنولوژی نیست، بلکه ژرفای نگاهی است که در مورد ساختار کوانتومی ژرف جهان به ما نشان می‌دهد!