Η τηλεμεταφορά είναι το όνομα που δίνεται από τους συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας, σε μια προσπάθεια τους, ώστε ένα αντικείμενο ή ακόμη και ένας άνθρωπος, να εξαφανιστεί από μια θέση, ενώ ένα τέλειο αντίγραφο του, να εμφανίζεται κάπου αλλού. Στα διηγήματα αυτά, συνήθως η τηλεμεταφορά παραβιάζει πολλές αρχές της κβαντομηχανικής αλλά και το όριο της ταχύτητας του φωτός, που προβλέπεται από την θεωρία της σχετικότητας του Einstein, γιατί θεωρούν πως γίνεται αυτή η μεταφορά ακαριαία.

Πώς όμως αυτή η μεταφορά ολοκληρώνεται, συνήθως δεν μας το εξηγούν λεπτομερώς, αλλά η γενική ιδέα φαίνεται να είναι ότι το αρχικό αντικείμενο αναλύεται ή σαρώνεται από ειδικά μηχανήματα , με τέτοιο τρόπο, ώστε να εξαχθούν όλες οι πληροφορίες από αυτό.
Κατόπιν όλες αυτές οι πληροφορίες του αντικειμένου, διαβιβάζονται με πομπό, στη θέση που θα εμφανιστεί το αντικείμενο, και χρησιμοποιούνται για να ανακατασκευάσουν το αντίγραφο, όχι απαραίτητα με το πραγματικό υλικό του αρχικού, αλλά ίσως από άτομα του ιδίου είδους, που όμως τακτοποιούνται ακριβώς στην ίδια θέση με βάση το πρωτότυπο σχέδιο.

Ιστορική αναφορά στην κβαντομηχανική
Για να εξηγήσουμε που βασίζονται τα πειράματα της κβαντικής τηλεμεταφοράς, είμαστε υποχρεωμένοι να εξετάσουμε τις ιδιότητες των υποατομικών σωματιδίων, με βάση την κβαντική θεωρία.
Στον κβαντικό κόσμο, ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο δεν έχει μια ορισμένη θέση, παρά μια σειρά από πιθανές θέσεις, η καθεμία από τις οποίες περιγράφεται από μια διαφορετική κβαντική κατάσταση.
Η κβαντική μηχανική είναι σε θέση να μας δώσει την πιθανότητα με την οποία το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί σε μια από τις πιθανές καταστάσεις, με την βοήθεια ορισμένων εξισώσεων.
Η κβαντομηχανική άποψη της περίπτωσης αυτής είναι ότι το ηλεκτρόνιο δεν βρίσκεται σε μια θέση αλλά σε πολλές θέσεις ταυτόχρονα - βρίσκεται δηλαδή σε μια υπέρθεση καταστάσεων. Και το σπουδαιότερο, δεν έχει νόημα να προσπαθούμε να περιγράφουμε τη θέση ενός ηλεκτρονίου, έως ότου πραγματοποιηθεί μια μέτρηση. Όταν θα κάνουμε μια μέτρηση, τότε η μέτρηση καταστρέφει την υπέρθεση (και την αβεβαιότητα), και αναγκάζει το σωματίδιο να καταλάβει μια συγκεκριμένη θέση ή καλύτερα να μας αποκαλύψει όχι πιθανές αλλά πραγματικές τιμές της ορμής και της θέσης που έχει.

Ο Einstein διαφώνησε με την εξήγηση αυτή: πίσω από τη κβαντική θεωρία έπρεπε να βρίσκεται ένας κόσμος στον οποίο οι ιδιότητες ενός σωματιδίου - όπως είναι για παράδειγμα η θέση και η ορμή του, έχουν πραγματικές, προϋπάρχουσες τιμές.
Ετσι, το 1935 ο Einstein, ο Boris Podolsky και ο Nathan Rosen, προκάλεσαν ένα νοητικό πείραμα, "Πείραμα EPR" από τα αρχικά των επιστημόνων, που σχεδιάστηκε για να δείξει ότι η κβαντική θεωρία δίνει μια ατελή άποψη της πραγματικότητας. Δηλαδή να συνδέεται η μέτρηση μιας τιμής ενός μεγέθους κάποιου σωματιδίου, με την τιμή ενός άλλου σωματιδίου, έστω κι αν αυτό είναι πολύ μακριά από το πρώτο.

Στο Πείραμα EPR θεωρούμε ένα σύστημα αποτελούμενο από δύο σωματίδια Α και Β, μηδενικού ολικού σπιν, τα οποία έχουν αλληλεπιδράσει για ένα μικρό χρονικό διάστημα και στη συνέχεια χωρίζονται ώστε να διατηρείται το ολικό τους σπιν σταθερό. Μετά το χωρισμό τους, μετράμε μία από τις συνιστώσες του σπιν του σωματιδίου Α.
Μπορούμε τότε χωρίς να πραγματοποιήσουμε καμιά μέτρηση στο Β να προβλέψουμε με βεβαιότητα την τιμή της αντίστοιχης συνιστώσας του ότι θα είναι αντίθετη αυτής του Α.
Για τον Einstein, η δυνατότητα να προβλέψουμε ένα στοιχείο του Β, αποδεικνύει πως η θεωρία δεν είναι πλήρης αφού δεν εξηγεί πως το ένα σωματίδιο επηρεάζει το άλλο. Αν δεχθούμε ότι το σπιν αυτού που μετράμε δεν είναι καθορισμένο αλλά ορίζεται τη στιγμή της μέτρησης, τότε αυτό το σωματίδιο αυτό θα πρέπει ακαριαία να καθορίζει την τιμή του σπιν του Β όσο μακριά και αν βρίσκεται αυτό.

Όμως, μια τέτοια αλληλεπίδραση ταχύτερη από το φως έρχεται σε αντίθεση με τη Θεωρία της Σχετικότητας και αυτό ακριβώς αποτελεί το παράδοξο EPR.
Για τον Bohr αντίθετα, η συσχέτιση αποτελεί μια ιδιότητα του κόσμου στον οποίο ζούμε. Τα συσχετισμένα σωματίδια αποτελούν θεμελιώδη τμήματα του ίδιου κβαντικού συστήματος ανεξάρτητα της μεταξύ τους απόστασης. Χωρίς κανένα σήμα να ανταλλάσσεται μεταξύ τους, και ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκεται το ένα από το άλλο, συνεργάζονται κατά τη στιγμή της μέτρησης. Η γνώση της κβαντικής κατάστασης, όπως είναι για παράδειγμα η θέση του ενός σωματιδiου, μας αποκαλύπτει την κατάσταση και του άλλου.

Μια μηχανή τηλεμεταφοράς, θα ήταν σαν μια μηχανή fax, (η οποία θα λειτουργούσε με 3-διάστατα αντικείμενα) που θα παρήγαγε ένα ακριβές αντίγραφο του αντικειμένου και όχι μια κόπια κατά προσέγγιση, αλλά συγχρόνως θα κατέστρεφε το αρχικό αντικείμενο, στο στάδιο της σάρωσης ή ανάλυσής του.
Μερικοί συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας βάζουν στα διηγήματα τους, τηλεμεταφορές που συντηρούν το αρχικό αντικείμενο ή πρόσωπο, και η πλοκή τότε γίνεται περίπλοκη, γιατί εμφανίζεται πότε το αρχικό πρόσωπο και πότε οι εκδόσεις-αντίγραφα του ίδιου προσώπου.
Αλλά στο πιό κοινό είδος τηλεμεταφοράς, καταστρέφεται το αρχικό πρόσωπο ή αντικείμενο. Τι γίνεται όμως με την ψυχή ή την μνήμη των προσώπων; Θα μεταφέρονται κι αυτές;

Εν τω μεταξύ, πολλοί επιστήμονες προγραμματίζουν πειράματα στα επόμενα έτη, για να καταδείξουν την τηλεμεταφορά σε μικροσκοπικά αντικείμενα, όπως είναι μοναχικά άτομα ή φωτόνια. Αλλά οι άνθρωποι που εξάπτονται από την επιστημονική φαντασία, θα απογοητευθούν όταν θα μάθουν πως κανένας επιστήμονας, δεν αναμένει να εφαρμοστεί η τηλεμεταφορά στους ανθρώπους ή σε άλλα μακροσκοπικά αντικείμενα στο εγγύς μέλλον, για ποικίλους λόγους που έχουν να κάνουν με τα μηχανήματα που θα έκαναν την σάρωση (ανάλυση) των αντικειμένων, ακόμα κι αν υποτεθεί πως δεν θα παραβιαζόταν κανένας θεμελιώδης νόμος της Φυσικής.

Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, η τηλεμεταφορά δεν αντιμετωπίστηκε σοβαρά από τους επιστήμονες, επειδή θεωρήθηκε πως παραβιάζει την αρχή της αβεβαιότητας της κβαντομηχανικής (Heisenberg), η οποία απαγορεύει την γνώση της ακρβούς θέσης και ορμής ενός σωματιδίου ταυτόχρονα. Αρα η οποιαδήποτε μέτρηση ή ανιχνευτική διαδικασία ενός ατόμου ή άλλου αντικειμένου θα εμπεριέχει σφάλματα, και δεν θα επιτρέπει έτσι την ακριβή μεταφορά όλων των πληροφοριών (θέσης, ταχύτητας, ορμής, ενέργειας) σε νέα θέση.
Σύμφωνα με την αρχή αβεβαιότητας, όταν ένα μικροσκοπικό αντικείμενο γίνεται στόχος ακριβούς μέτρησης, επηρεάζεται η υπόστασή του, τόσο ώστε η αρχική του εικόνα να αλλοιωθεί, και να μην μπορεί να εξαχθεί ένα ακριβές αντίγραφο του. Αυτό βέβαια είναι ένα γερό επιχείρημα εναντίον της τηλεμεταφοράς: εάν κάποιος δεν μπορεί να εξαγάγει αρκετές πληροφορίες από ένα αντικείμενο για να κάνει ένα τέλειο αντίγραφο, πως θα έκανε τότε ένα ακριβές αντίγραφο;

Αφού η πράξη της μέτρησης ενός σωματιδίου καταστρέφει πραγματικά μερικές από τις πληροφορίες για την παλιά κατάστασή του, θα φαινόταν σχεδόν αδύνατο να αντιγράψει τέτοια σωματίδια και να τα αναπαραγάγει αλλού. Αλλά κατά ειρωνικό τρόπο, ένα από τα παράξενα τεχνάσματα του κβαντικού κόσμου στρέφει αυτό το επιχείρημα υπέρ του. Διότι, μπορείτε να επαναδημιουργήσετε την κβαντική κατάσταση που δεν έχει μετρηθεί -- εφ' όσον προετοιμάζεστε να θυσιάσετε το αρχικό σωματίδιο. Το τέχνασμα εκμεταλλεύεται την ίδια την αβεβαιότητα που κάνει τις κβαντικές μετρήσεις να αλλοιώνουν το μετρούμενο αντικείμενο στην αρχική θέση.

Ετσι, σήμερα οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να αντιμετωπίσουν την απαγορευτική αυτή ιδιότητα της κβαντομηχανικής και να σχεδιάσουν πειράματα, που έδειξαν πως η τηλεμεταφορά τουλάχιστον υποατομικών σωματιδίων δεν είναι μακρινό όνειρο αλλά πραγματικότητα. Εδώ παρουσιάζουμε τρία πειράματα. Το πρώτο έγινε το 1993, το δεύτερο το 1997 και το τρίτο το 1998. Σίγουρα υπάρχουν περισσότερα.

Το πρώτο πείραμα τηλεμεταφοράς του 1993

Πριν από μερικά χρόνια (το 1993), μια διεθνής ομάδα έξι επιστημόνων από τις ΗΠΑ, Καναδά, Ισραήλ (C.Bennett της IBM, R.Jozsa, W.Wootters, G.Brassard, C.Crepeau, A.Peres), επιβεβαίωσαν τις διαισθήσεις της πλειοψηφίας των συγγραφέων επιστημονικής φαντασίας καταφέρνοντας να δείξουν ότι η τέλεια τηλεμεταφορά είναι πράγματι δυνατή σε γενικές γραμμές, αλλά μόνο εάν το αρχικό αντικείμενο καταστρέφεται, και χρησιμοποιώντας, μια παράξενη ιδιότητα της κβαντικής μηχανικής, την συσχέτιση.

Οι έξι πιό πάνω επιστήμονες, βρήκαν έναν τρόπο για να πραγματοποιήσουν το πολυσυζητημένο φαινόμενο της τηλεμεταφοράς, με τη βοήθεια της ίδιας της κβαντομηχανικής, χρησιμοποιώντας ένα πολυσυζητημένο παράδοξο φαινόμενο της κβαντομηχανικής, γνωστό ως φαινόμενο Einstein - Podolsky - Rosen. Εν συντομία, βρήκαν έναν τρόπο να ανιχνευθεί-αναλυθεί ένα μέρος των πληροφοριών από ένα αντικείμενο Α, το οποίο κάποιος θα ήθελε να τηλεμεταφέρει, ενώ συγχρόνως προκαλείται το πέρασμα πληροφορίας, μέσω του φαινομένου Einstein-Podolsky-Rosen, σε ένα άλλο αντικείμενο C, το οποίο δεν έχει έλθει ποτέ σε επαφή με το αντικείμενο Α. Αργότερα, με κατάλληλη επεξεργασία του C ανάλογα με τις ανιχνευθείσες πληροφορίες, είναι δυνατό να οδηγηθεί με κατάλληλους μηχανισμούς το αντικείμενο C ακριβώς στην ίδια κατάσταση, όπως ήταν το Α προτού αυτό αναλυθεί.

Στην κβαντική τηλεμεταφορά δύο αντικείμενα B και C φέρονται αρχικά σε επαφή (συσχετίζονται) και έπειτα διαχωρίζονται. Το αντικείμενο Β λαμβάνεται στο σταθμό αποστολής, ενώ το αντικείμενο C λαμβάνεται στο σταθμό-παραλήπτη.
Στον σταθμό αποστολής το αντικείμενο Β, ανιχνεύεται-διαβάζεται μαζί με το αρχικό-πρωτότυπο αντικείμενο Α, το οποίο επιθυμούμε να τηλεμεταφέρουμε, αποκομίζοντας κάποιες πληροφορίες ενώ καταστρέφεται εντελώς η κβαντική κατάσταση του Α και του Β. Οι ανιχνευθείσες πληροφορίες αποστέλλονται στο σταθμό λήψης, όπου χρησιμοποιούνται για να επεξεργαστεί κατάλληλα το αντικείμενο C, και με αυτόν τον τρόπο καθιστούμε το C, ένα ακριβές αντίγραφο του πρωτότυπου Α.



Σε αυτό το σχήμα, συγκρίνεται η συμβατική μετάδοση αντιγράφων (τηλεμοιοτυπία), με την κβαντική τηλεμεταφορά. Στη συμβατική μετάδοση αντιγράφων το αρχικό αντικείμενο ανιχνεύεται-εξετάζεται, εξάγοντας μερικές πληροφορίες από αυτό, αλλά παραμένει αρκετά άθικτο μετά από αυτή τη διαδικασία ανίχνευσης.
Οι ανιχνευμένες πληροφορίες στέλνονται στον δέκτη - σταθμό, όπου αποτυπώνεται σε κάποια πρώτη ύλη (π.χ. έγγραφο), για να παραχθεί ένα κατά προσέγγιση αντίγραφο του αρχικού.



Και η εξήγηση

Υποθέστε πως έχουμε ένα ζευγάρι, την Alice και τον Bob, που επιθυμούν να αντιγράψουν ένα φωτόνιο. Η Alice δεν μπορεί να υπολογίσει -μετρήσει- τις ιδιότητες του φωτονίου της και να στείλει τα αποτελέσματα στον Bob,, επειδή θα καταστρεφόταν με την μέτρηση μερικές από τις αναγκαίες πληροφορίες που θα χρειαζόταν ο Bob. Ευτυχώς, η κβαντική θεωρία έχει έναν λεπτότερο τρόπο επικοινωνίας. Ένα πρόσθετο ζευγάρι "πεπλεγμένων" ή "συσχετισμένων" φωτονίων ανοίγει το κανάλι της τηλεμεταφοράς μεταξύ της Alice και του Bob.

Ο όρος συσχέτιση εισήχθη από το Γερμανό φυσικό Erwin Schroedinger, την δεκαετία του 1930, και έχει αποτελέσει αντικείμενο φιλοσοφικής διαμάχης για την φύση του κβαντικού κόσμου. Ετσι η διάσημη διαμάχη μεταξύ του Einstein και του Bohr, οφειλόταν στην έννοια της συσχέτισης. Κατά την κβαντική μηχανική ένα ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε μια υπερθεση καταστάσεων, δηλαδή σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα, μέχρι να πραγματοποιηθεί μια μέτρηση, η οποία αναγκάζει το σωματίδιο να καταλάβει μια συγκεκριμμένη κατάσταση.

Σύμφωνα με τη κβαντική θεωρία, μπορείτε να συσχετίσετε ένα ζευγάρι φωτονίων έτσι ώστε οι ιδιότητές τους να συνδέονται αναπόσπαστα. Αυτό ισχύει ακόμα κι αν τα στέλνατε στις αντίθετες άκρες της Γης. Μετρήστε το ένα από τα συσχετισμένα φωτόνια στο Βόρειο Πόλο και καθορίζετε αμέσως την κατάσταση του άλλου φωτονίου στο Νότιο Πόλο.

Η Alice έχει ένα φωτόνιο, που χωρίς να το μετρήσει (ώστε να μην καταστρέψει τις ιδιότητες του), θέλει να το τηλεμεταφέρει στον Bob. Κατ' αρχάς, δημιουργεί ένα ζευγάρι συνδεμένων EPR φωτονίων, κρατώντας το ένα μαζί της, ενώ το άλλο το στέλνει μακριά στον Bob. Κανονίζει έπειτα για το αμέτρητο φωτόνιό της να αλληλεπιδράσει με ένα από τα δύο EPR φωτόνια, (αυτό που κράτησε) και μετρά το αποτέλεσμα εκείνης της αλληλεπίδρασης, και τότε στέλνει το αποτέλεσμα αυτό προς τον Bob με ένα ντεμοντέ τρόπο -- με τηλέφωνο, ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, fax ή με ένα μεταφορέα.

Και τώρα το μυστήριο μέρος. Ο Bob λαμβάνει το μήνυμα της Alice, και ανάλογα με αυτό που λέει το μήνυμα, εκτελεί κάποια προσχεδιασμένη λειτουργία στο EPR φωτόνιο του-- που είναι το έτερον ήμισυ του πεπλεγμένου ζευγαριού που η Alice δημιούργησε. Παραδείγματος χάριν, αυτός μπορεί να αλλάξει την πόλωση του φωτονίου του κατά ένα ποσό που εξαρτάται από τις πληροφορίες που η Alice του έστειλε. Στο τέλος αυτής της διαδικασίας, το φωτόνιο του Bob έχει γίνει ένα ακριβές αντίγραφο του αρχικού 'αμέτρητου' φωτονίου της Alice. Η κβαντική κατάσταση εκείνου του φωτονίου -- και όχι ίδιο το φωτόνιο -- τηλεμεταφέρθηκε από την Alice στον Bob.

Για να επαναδημιουργήσετε το φωτόνιο -- στην τηλεμεταφορά -- πρέπει να διαβιβάσετε δύο είδη πληροφοριών για την κατάστασή του. Ένα είδος είναι οι συνηθισμένες, καθημερινές πληροφορίες. Αυτό είναι και το εύκολο μέρος. Μπορείτε να κάνετε μετρήσεις και να στείλετε τις λεπτομέρειες μέσα από μια συνηθισμένη διαδρομή.
Αλλά τι γίνεται με τις κβαντικές πληροφορίες -- η ουσία που εξαφανίζεται όταν κάνετε τη μέτρησή σας; Το τέχνασμα στη διαβίβαση αυτής της κβαντικής πληροφορίας βρίσκεται στη μυστική, σαν φάντασμα (spooky ήταν η λέξη που έλεγε και ο Einstein) σύνδεση μεταξύ των φωτονίων EPR της Alice και του Bob . Με το να πείσει το άγνωστο φωτόνιό της να αλληλεπιδράσει με το φωτόνιο EPR της , η Alice έκανε το EPR φωτόνιο του Bob , το άλλο μισό του πεπλεγμένου ζευγαριού, να αλληλεπιδράσει με το άγνωστο φωτόνιο επίσης.

Μέσω του φαντάσματος EPR καναλιού, ο Bob επομένως λαμβάνει κάποια παράξενη, κβαντική πληροφορία για την κατάσταση του φωτονίου που η Alice θέλει να τηλεμεταφέρει. Αν και αυτή δεν είναι όλη η ιστορία, επειδή η Alice πρέπει επίσης να μετρήσει κάτι για την αλληλεπίδραση των δύο φωτονίων της, και να στείλει το αποτέλεσμα στον Bob. Αλλά εάν όλα γίνουν σωστά, ο Bob λαμβάνει έναν συνδυασμό spooky κβαντικών πληροφοριών και σαφών γνωστού τύπου κλασσικών πληροφοριών που επιτρέπουν σε αυτόν να αναπαραγάγει το αρχικά άγνωστο φωτόνιο της Alice.

Το πείραμα του Ίνσμπρουκ
Μια άλλη πειραματική επιβεβαίωση της κβαντικής τηλεμεταφοράς πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ τον Δεκέμβριο του 1997. Αυτό το πρόγραμμα διευθύνθηκε από τον Δρ. Anton Zeilinger του Ιδρύματος για τη πειραματική φυσική στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ. Οι εργασίες του βρίσκονται στους τομείς της κβαντικής οπτικής και της κβαντικής επικοινωνίας. Οι άλλοι πειραματιστές από το ίδρυμα για τη πειραματική φυσική είναι: ο Dik Bouwmeester, Klaus Mattle, Manfred Eibl και Harald Weinfurter.

Η παρακάτω εικόνα απεικονίζει το πείραμα του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ για την κβαντική τηλεμεταφορά. Στην κβαντική διαδικασία τηλεμεταφοράς, οι φυσικοί παίρνουν ένα φωτόνιο (ή οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο κβαντικής κλίμακας, όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ένα άτομο) και μεταφέρουν τις ιδιότητές του (όπως η πόλωσή του, δηλαδή η κατεύθυνση στην οποία δονείται, πάλλεται το ηλεκτρικό πεδίο του) σε ένα άλλο φωτόνιο -- ακόμα κι αν τα δύο φωτόνια είναι σε μακρινές θέσεις. Το πείραμα δεν τηλεμεταφέρει το ίδιο το φωτόνιο, μόνο μεταδίδει τις ιδιότητές του σε ένα άλλο, μακρινό φωτόνιο.

Ο αποστολέας—που οι φυσικοί επιμένουν πάντα να ονομάζουν Alice—που παίρνει το όνομα της από το είδος που μεταφέρεται -light- και τα αρχικά της λέξης entangled-πεπλεγένη και τη λέξη encoder-κωδικοποιητής.
O παραλήπτης—που ονομάζεται πάντα Bob—είναι αυτός που λαμβάνει το τηλεμεταφερόμενο μήνυμα.

Εδώ φαίνεται πώς λειτουργεί: Στον σταθμό αποστολέα της κβαντικής τηλεμεταφοράς, η Alice κωδικοποιεί ένα UV φωτόνιο "αγγελιοφόρο" M, που είναι αυτό που θα μεταφερθεί, με μια συγκεκριμένη κατάσταση: πολωμένο κατά 45ο , (στροφή του ηλεκτρικού του πεδίου κατά 45ο του επιπέδου πόλωσης),με την βοήθεια ενός πολωτή. Αυτό το φωτόνιο ταξιδεύει προς ένα διαχωριστή ακτίνων (beamsplitter).
Εν τω μεταξύ, δημιουργούνται δύο πρόσθετα "πεπλεγμένα" ή συσχετισμέναφωτόνια το Α και το Β (στο μέσον της εικόνας), από φωτόνια που πέφτουν πάνω σε ένα μη γραμμικό κρύσταλλο για να δημιουργήσουν το ζευγάρι των πεπλεγμένων φωτονίων, του Α και του Β.

Η πόλωση κάθε φωτονίου είναι σε μια συγκεχυμένη, ακαθόριστη κατάσταση, όμως τα δύο φωτόνια έχουν μια ακριβώς καθορισμένη αλληλεξάρτηση. Συγκεκριμένα, αυτά πρέπει να έχουν συμπληρωματικές πολώσεις. Παραδείγματος χάριν, εάν το φωτόνιο Α μετριέται αργότερα να έχει οριζόντια πόλωση(γωνία πόλωσης 0 μοίρες), τότε το άλλο φωτόνιο πρέπει να 'καταρρεύσει' στη συμπληρωματική κατάσταση της κάθετης πόλωσης(90 μοίρες).

Το πεπλεγμένο φωτόνιο Α φθάνει στον διαχωριστή ακτίνων (beamsplitter) ταυτόχρονα με το φωτόνιο αγγελιαφόρο Μ. Ο διαχωριστής των ακτίνων αναγκάζει κάθε φωτόνιο είτε να συνεχίσει προς τον ανιχνευτή 1 είτε να αλλάξει κατεύθυνση και να ταξιδεύσει προς τον ανιχνευτή 2.
Στο 25% όλων των περιπτώσεων, στις οποίες τα δύο φωτόνια πηγαίνουν μακριά στους διαφορετικούς ανιχνευτές, η Alice δεν ξέρει σε ποιόν ανιχνευτή κατευθύνθηκε το καθένα από τα δύο φωτόνια.

Αυτή η ανικανότητα της Alice, να διακρίνει μεταξύ των δύο φωτονίων, προξενεί όπως λέγεται ένα κβαντικό φράγμα, για να μπορέσει να δει τι συμβαίνει. Ακριβώς από το ίδιο το γεγονός ότι τα δύο φωτόνια είναι τώρα δυσδιάκριτα, αφού είναι όμοια, το φωτόνιο Μ χάνει την αρχική ταυτότητά του και γίνεται πεπλεγμένο με το Α. Η τιμή της γωνίας πόλωσης για κάθε φωτόνιο είναι τώρα ακαθόριστη, αλλά δεδομένου ότι ταξιδεύουν προς διαφορετικούς ανιχνευτές η Alice ξέρει ότι τα δύο φωτόνια πρέπει να έχουν συμπληρωματικές πολώσεις.

Δεδομένου ότι το φωτόνιο αγγελιαφόρος- Μ, πρέπει να έχει συμπληρωματική πόλωση του φωτονίου Α, τότε το άλλο πεπλεγμένο φωτόνιο (B) πρέπει τώρα να επιτύχει την ίδια τιμή πόλωσης όπως το Μ. Επομένως, η τηλεμεταφορά είναι επιτυχής. Πράγματι, ο Bob βλέπει ότι η τιμή πόλωσης του φωτονίου Β είναι 45 μοίρες δηλαδή η αρχική τιμή πόλωσης του ενδιάμεσου ή αγγελιαφόρου Μ.

Το πείραμα του CalTech
ο πείραμα Caltech πραγματοποιήθηκε το φθινόπωρο (Οκτώβριος) του 1998. Πήρε το πείραμα του Ίνσμπρουκ και επέτυχε ακόμη ακριβέστερα αποτελέσματα με την προσθήκη ενός τρίτου ανιχνευτή στις συσκευές πειράματος, Victor. Το Victor έχει διπλό ρόλο στο πείραμα, τη δημιουργία και την αποστολή του σωματιδίου για να είναι στην Alice και λήψη και επαλήθευση του σωματιδίου από το βαρίδι. Αυτός ο τρίτος ανιχνευτής επιτρέπει περισσότερη ακρίβεια στην αναπαραγωγή του σωματιδίου εισαγωγής και δίνει ακόμα ισχυρότερη υποστήριξη για την ισχύ της κβαντικής τηλεμεταφοράς.



1. Δίχως να παρατηρεί το σήμα εισόδου, η Alice -- ο αποστολέας -- συνδυάζει την αρχική δέσμη του φωτός με μια ειδική δέσμη ¨πεπλεγμένου - κωδικοποιημένου φωτός". Το αποτέλεσμα είναι κάτι που φαίνεται σαν τέλεια ασυναρτησία.

2. Η Alice στέλνει την ασυνάρτητη πληροφορία στον παραλήπτη, τον Bob. Η πληροφορία μοιάζει επίσης σαν τέλεια ασυναρτησία και σε αυτόν.

3. Πάντως ο Bob έχει το δικό του αντίγραφο του ειδικού πεπλεγμένου φωτός. Συνδυάζοντας αυτό, με την ασυνάρτητη πληροφορία που πήρε από την Alice κατορθώνει να αναπαραγάγει την αυθεντική ακτίνα του φωτός.

Ο αποστολέας—που οι φυσικοί επιμένουν πάντα να ονομάζουν Alice—που παίρνει το όνομα του από το είδος που μεταφέρεται -light- και τα αρχικά της λέξης entangled-πεπλεγένη και τη λέξη encoder-κωδικοποιητής, που παράγει αυτό που μοιάζει με ασυναρτησίες.
Η Alice στέλνει έπειτα τις ασυναρτησίες της στον παραλήπτη—που ονομάζεται πάντα Bob—και που συνδυάζει τις ασυναρτησίες με τον “πεπλεγμένο” αποκωδικοποιητή του. Κι έτσι δημιουργεί την ίδια κβαντική κατάσταση.

Στη συσκευή του CalTech (California Institute of Technology), το σήμα ταξιδεύει προς ένα ναυπηγείο, κατά μήκος μερικών ομοαξονικών καλωδίων.

Αυτό που οι φυσικοί στο Caltech, στο Πανεπιστήμιο του Aarhus στη Δανία και στο Πανεπιστήμιο της Ουαλίας έχουν ολοκληρώσει, είναι να ληφθεί μια ακτίνα του φωτός, και να δημιουργήσουν ένα αντίγραφο του, σε κάποια απόσταση μακριά.

"Είναι η πρώτη τηλεμεταφορά", εξήγησε ο καθηγητής της φυσικής στο Caltech Jeff Kimble, έναςαπό τους ερευνητές. "Πιθανόν να μην οδηγεί στην τεχνολογία του Star Trek, αλλά θα μπορούσε να βοηθήσει στην περίτεχνη κρυπτογραφία και πιθανώς στα "κβαντικά computers.”

Επίσης τον Δεκέμβριο του 1997, δύο ερευνητικές ομάδες, μια στην Αυστρία και μια στη Ρώμη, εξέθεσαν τα επιτυχή πειράματα τηλεμεταφοράς. Στα προηγούμενα πειράματα, εντούτοις, περιορίστηκαν οι πληροφορίες στο εάν ένα φωτόνιο πολώθηκε στην πάνω ή στην κάτω κατάσταση. Η ομάδα του Kimble επέκτεινε τη θεωρία και την τεχνική για να εφαρμόζεται και σε πιό πλατιά πεδία.

Το μέλλον της κβαντικής τηλεμεταφοράς

Η κβαντική επικοινωνία είναι επικεντρώνεται στη δυνατότητα να σταλούν στοιχεία γρήγορα και σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτή η μετάδοση των στοιχείων εμφανίζεται να συμβαίνει τόσο γρήγορα, όσο γρήγορα και τα σωματίδια μπορούν να κινηθούν, δηλαδή με την ταχύτητα του φωτός αν πρόκειται για φωτόνια και παρουσιάζεται να μην συμβαίνει καμία απώλεια στοιχείων, δεδομένου ότι η κβαντική κατάσταση του διαβιβασθέντος σωματιδίου δεν είναι μετρημένη έως ότου αυτό που εστάλη αλληλεπιδρά με το πεπλεγμένο.

Κβαντική κρυπτογραφία

ο κβαντικό σύστημα κρυπτογραφίας είναι μια επέκταση της κβαντικής επικοινωνίας δεδομένου ότι στέλνει τα σωματίδια χρησιμοποιώντας την κβαντική τηλεμεταφορά. Τα σωματίδια κωδικοποιούνται σε κβαντικές καταστάσεις και στέλνονται στο δέκτη όπως στην κβαντική επικοινωνία. Οι καταστάσεις αντιπροσωπεύουν τις κωδικοποιημένες πληροφορίες που μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία και να γίνουν κατανοητές μόνο από αυτόν που τις λαμβάνει στο τέλος. Εάν ένας άλλος παρατηρητής προσπαθήσει να εξετάσει τις πληροφορίες που στέλνονται, πρέπει να ξέρει το σχέδιο κωδικοποίησης, επειδή η μετάδοση καταστρέφεται μόλις παρατηρηθεί.

Πρόσφατα πειράματα δείχνουν ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί η αλληλεξάρτηση, η πεπλεγμένη κατάσταση των σωματιδίων, για την αποτελεσματική κρυπτογράφηση τραπεζικών κωδικών ή διπλωματικών επικοινωνιών.
Η κβαντική κρυπτογραφία θα δώσει τη δυνατότητα σε δύο σταθμούς να επικοινωνούν χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες των αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. "Το σημαντικό προσόν της κβαντικής κρυπτογραφίας είναι ότι δεν χρειάζεται κανείς να ανησυχεί για το σπάσιμο των κωδίκων. Οι μόνοι περιορισμοί δημιουργούνται από τους νόμους της κβαντομηχανική", λέει ο Αμερικανός καθηγητής Πολ Κουάιατ.
Για την ανάπτυξη του νέου αυτού συστήματος χρησιμοποιήθηκαν πεπλεγμένα σωματίδια φωτός (φωτόνια) για τη δημιουργία κρυπτογραφικών κωδικών. Η ομάδα του καθηγητή Τόμας Γενεβίν, στη Βιέννη, κατασκεύασε σύστημα που παράγει μεγάλο αριθμό κβαντικών κωδικών σε ελάχιστο χρόνο, τους οποίους χρησιμοποιεί στη συνέχεια για να κρυπτογραφήσει τη δυαδική ακολουθία μηδενικών και μονάδων που απαρτίζουν μία ψηφιακή φωτογραφία.
Η κρυπτογραφημένη φωτογραφία στάλθηκε μέσω κοινού δικτύου υπολογιστή σε άλλον υπολογιστή ο οποίος την αποκρυπτογράφησε. Η ομάδα του καθηγητή Κουάιατ κατάφερε μάλιστα να εντοπίσει συσκευή που είχε παρεμβληθεί στο σύστημα ώστε να προσομοιώνει μηχανισμό παρακολούθησης.

Quantum computing
Ο κβαντικός υπολογιστής (Quantum computing), στηρίζεται στην κβαντική τηλεμεταφορά για δημιουργία των κβαντικών πυλών λογικής που επεξεργάζονται τις πληροφορίες μέσα έναν κβαντικό υπολογιστή. Ο κβαντικός υπολογισμός εισάγει επίσης την έννοια των qubits, το κβαντικό ανάλογο του κλασσικού bit. Η διαφορά βρίσκεται στο γεγονός ότι ένα qubit μπορεί να είναι είτε 0 είτε 1 ταυτόχρονα!.
Αυτό επιτρέπει ογκώδεις παράλληλους υπολογισμούς να εκτελεσθούν σε μερικά δευτερόλεπτα, διαδικασία που παίρνει εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια μέρες στα σημερινά computers.

Τα περισσότερα μοντέρνα chips έχουν transistors στο μέγεθος των 180 nanometers, περισσότερο από 400 φορές στενότερα από ότι η ανθρώπινη τρίχα. Αλλά οι κατασκευαστές των chip δεν θα μπορούν να φτιάξουν chips μικρότερα των 124 nanometers, σύμφωνα με μια βασική αρχή της οπτικής που είναι γνωστή σαν κριτήριο του Rayleigh. Έτσι τα όρια των σημερινών τεχνικών βρίσκονται σε αυτή την περιοχή μεγέθους.
Θεωρητικά, αν χρησιμοποιηθούν τα πεπλεγμένα φωτόνια αντί για τα συμβατικά φωτόνια των laser, θα μπορούν να ξεπεράσουν οι τεχνικοί τα όρια των 124 nm, και να φτιαχθούν έτσι transistors μικρότερα από 64 nanometers. Τα πεπλεγμένα αυτά φωτόνια θα μπορούν να ταξιδεύουν μαζί και να συμπεριφέρονται σαν ένα μοναδικό φωτόνιο, αντί για δύο ξεχωριστά.
Αυτό οφείλεται στο ότι τα πεπλεγμένα φωτόνια έχουν ως σύστημα το μισό μήκος κύματος από ό,τι έχουν ως ατομικά σωματίδια - μία από τις παράδοξες συνέπειες των κβαντικών νόμων.

Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές, που θα κινούν τις πληροφορίες κατ' αυτό τον τηλεμεταφερόμενο τρόπο, και όχι από τα καλώδια και τα τσιπ του πυριτίου, θα είναι απείρως γρηγορότεροι και ισχυρότεροι από τους παρόντες υπολογιστές.
Πιστεύουμε πως σε 5 ή 10 χρόνια οι προηγμένες κοινωνίες θα χρησιμοποιούν κβαντική πληροφορία.

Συμπέρασμα


Η κβαντική τηλεμεταφορά έχει ανοίξει πολλές πόρτες για την μελλοντική πρόοδο στην επιστήμη και την τεχνολογία. Δεδομένου ότι μαθαίνουμε όλο και περισσότερα για την αληθινή φύση του κόσμου, όλο και περισσότερες εφαρμογές καθώς και συνέπειες των φυσικών φαινομένων μπορούν να χρησιμοποιηθούν με όλο και πιο συναρπαστικούς τρόπους.