پژوهشگرانی از دانمارک٬ اسپانیا و انگلستان موفق به خلق شاهکاری در انتقال اطلاعات کوانتومی شدند. آنان موفق شدند اطلاعات حالت اسپینی کوانتومی بزرگ‌مقیاس اتم‌های سزیم را که در ظرفی نگه‌داشته شده به ظرف دومی (در فاصله‌ی ۵۰ سانتی‌متری آن) منتقل کنند. هرچند این فاصله بسیار کمتر از رکورد ۱۴۳ کیلومتری است که برای انتقال اطلاعات کوانتومی حالات کوانتومی نسبتاً ساده انجام شده بود، اما این آزمایش نوع متفاوتی از انتقال اطلاعات کوانتومی را ارائه داده و متفاوت با کارهایی است که در گذشته و در طول فواصل کوچک‌مقیاس انجام شده بود. با این تکنیک می‌توان حالات کوانتومی پیچیده را انتقال داد و محدوده‌ی وسیعی از کابردهای فنی همچون محاسبات کوانتومی٬ ارتباطات کوانتومی از فواصل دور و سنجش از راه دور را دربرگرفت.

انتقال اطلاعات کوانتومی اولین بار در سال ۱۹۹۳ توسط چارلز بنت (Charles Bennett) از مرکز تحقیقاتی  IBM Thomas J Watson در نیویورک و همکارانش پیشنهاد داده شد. این تکنیک به یک شخص (آلیس) اجازه می دهد تا اطلاعات حالت کوانتومی ناشناخته‌ای را به فرد دیگری (باب) با تبادل اطلاعات کلاسیکی محض ارسال کند. در این تکنیک از درهم‌تنیدگی بین دو ذره استفاده می‌شود: یکی با آلیس و یکی با باب. آلیس حالت کوانتومی ناشناخته‌ را با نیمه‌ی حالت درهم‌تنیده‌اش برهم‌کنش داده و حالت کوانتومی مرکب را اندازه می‌گیرد و در نهایت نتیجه را از طریق یک کانال کلاسیکی به باب می‌فرستد. عمل اندازه‌گیری٬ حالت نیمه‌ی جفتِ درهم‌تنیده‌ آلیس را دچار تغییر می‌کند (و با ترکیب‌ با نتیجه‌ا‌ی که آلیس بدست آورده) این اجازه را به باب می‌دهد تا حالت کوانتومی ناشناخته را بازسازی کند.

اسپین جمعی

این موضوع معمولاً با حالات کوانتومی گسسته نشان داده می‌شود، همانند اسپین‌های اتمی که ممکن است بالا٬ پایین و یا یک برهم‌نهی از این دو حالت باشد. با این وجود امکان انتقال اطلاعات کوانتومی پیوسته (همانند اسپین جمعی یک هنگرد اتمی بزرگ) وجود دارد. بعلاوه انجام چنین کاری نتایج عملی جالبی در جهت توسعه‌ی فناوری‌های بر پایه‌ی فرآیندهای انتقال اطلاعات خواهد داشت.

برای آن‌که آلیس و باب بتوانند اطلاعات را با استفاده از انتقال اطلاعات کوانتومی ارسال کنند بایستی در صدد تصرف ذرات درهم‌تنیده (معمولاً فوتون‌ها) باشند. نتایج فوتون‌های مبادله‌ای درهم‌تنیده٬ به ناچار در برخی موارد از دست می‌رود و این در بازسازی حالتی که باب درصدد آن است اثر خواهد گذاشت. اگر این اطلاعات تبادل یافته به یک حالت گسسته مربوط باشد با تک‌فوتونی درهم‌تنیده خواهد شد (که امکان دارد دریافت شود و یا نشود) و در نتیجه باب یا یک بازتولید کامل خواهد داشت و یا هیچ بازتولیدی را نخواهد داشت. از این موضوع به انتقال اطلاعات کوانتومی احتمالاتی (probabilistic) یاد می‌شود. اگر اطلاعاتی که در صدد انتقال آن هستیم به یک حالت پیوسته مربوط باشد٬ این اطلاعات با یک پالس نوری (شامل فوتون‌های بسیار زیاد) درهم‌تنیده خواهد شد که برخی از آن‌ها به باب خواهند رسید و بقیه نخواهند رسید. بنابراین باب همیشه یک بازسازی از حالت کوانتومی آلیس خواهد ساخت. اما اگر تلفات بالا باشند نتیجه‌ی حاصل شده پایین‌تر از حد مطلوب خواهد بود. این به انتقال اطلاعات کوانتومی تعینی (deterministic) موسوم است.

سوال اصلی این است که اگر آلیس بسادگی حالت موردنظر را اندازه گرفته و نتیجه را به باب مخابره کند٬ از کجا می‌توان مطمئن شد که باب حالت کوانتومی ناشناخته‌ی آلیس را که بازتولید می‌کند فراتر از حداکثر درستی دست‌یافتنی است یا نه (محدودیتی که توسط اصل عدم قطعیت‌ هایزنبرگ اعمال می‌شود). این نه تنها به سهم اتلاف فوتون‌ها بستگی دارد، بلکه به دیگر پارامترهای آزمایشگاهی همچون مدت زمان نگهداری حالات کوانتومی به منظور برهم‌کنش‌های مابین حالت کوانتومیِ ناشناخته و ذرات درهم‌تنیده بستگی دارد.

انتقال اطلاعات حالات کوانتومی بین گازهای اتمی

نمونه‌هایی در دمای اتاق

چنین انتقال اطلاعات کوانتومیِ متغیر پیوسته‌ی تعینی در آزمایشگاهی توسط یوجین پولزیک (Eugene Polzik) و همکارانش در موسسه نیلز بوهر در کپنهاگ به همراه محققانی از موسسه‌ی علوم فوتونیک (ICFO) در بارسلونا و دانشگاه ناتینگهام ارائه و تحقق یافت. اسباب آزمایشگاهی آنان شامل دو نمونه‌ در دمای اتاقِ گاز سزیم ۱۳۳ است که در محفظه‌ای شیشه‌ای و به فاصله‌ی ۵۰ سانتی‌متر از هم نگه‌داشته شده است. هدف این آزمایش استفاده از نور برای انتقال اطلاعات حالتِ اسپینیِ کوانتومیِ جمعی ۱۰^۱۲  اتم از یک محفظه به محفظه‌ی دیگری بود. این تیم تحقیقاتی٬ عمر حالت موردنظر را با پوشش‌دهی درون محفظه‌ها با یک ماده‌ی ویژه (که تکانه‌ی زاویه‌ای را از اتم‌ها جذب نمی‌کند) افزایش داده‌اند.

کنترل دقیق روی حالات اسپینی این سیستم با استفاده از میدان‌های مغناطیسی نوسان‌کننده و ثابت انجام شده است. آنان همچنین با نظریه‌پردازانی بنام کریستین ماسچیک (Christine Muschik) از ICFO و ایگنیشیا سیراک (Ignacio Cirac) از موسسه‌ی اپتیک کوانتومی ماکس پلانک در نزدیکی مونیخ٬ برای توسعه‌ی مدل جدید برهم‌کنشی بین اتم‌ها و نور همکاری داشته‌اند. آن‌ها موفق شدند با بهره‌گیری از این توسعه‌ها انتقال اطلاعات کوانتومی حالاتِ اسپینیِ جمعیِ چندگانه را بین این دو کپسول تحقق بخشند و نیز نگاهی به انحراف از معیار در اندازه‌گیری‌هایشان داشته‌اند. مقایسه‌ی این انحرافات با کمینه انحرافات نظری (که با ارسال اطلاعات حالت اسپینی در یک روش کلاسیکی محض حاصل شود) روشن می سازد  که انحرافاتی که در فرآیند مورد نظر آنان وجود داشته کمتر است. به گفته‌ی پولزیک:« به نظر ما نتیجه‌ی اول قطعی است؛ یک انتقال اطلاعات از اتم به اتم و در یک فاصله‌ی بزرگ‌مقیاس»

به بیان هوگوئس دریدمتن (Hugues de Riedmatten) متخصص اپتیک کوانتومی از ICFO که درگیر این آزمایش نبوده است٬ این تحقیق «بسیار قابل‌توجه» است و نتایج را به شکل «قانع‌کننده ای» توصیف می‌کند. به نظر وی با وجود آن‌که این آزمایش «اثبات یک اصل» به حساب می‌آید اما وی بیان می‌کند که:«به نظر من این اولین گام است. اگر تمایل داشته باشید بعنوان مثال از آن برای انجام کارهای مفید در علم اطلاعات کوانتومی استفاده کنید نیاز خواهید داشت تا حالات کوانتومی بسیار پیچیده‌تری را انتقال دهید. باید منتظر ماند تا ببینیم این کار امکان‌پذیر خواهد بود یا نه.»

این تحقیق در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده است.     

درباره‌ی نویسنده:

تیم وُگان (Tim Wogan) نویسنده‌ای علمی در انگلستان است.

منبع:

 http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jun/11/quantum-teleportation-done-between-distant-large-objects