Τηλεμεταφορά από φως σε ύλη

Transcript

1 Τηλεμεταφορά από φως σε ύλη Από την μεταφορά πληροφοριών στην τηλεμεταφορά κβαντικών πληροφοριών, από τους Ηλεκτρονικούς Υπολογιστές στους Κβαντικούς Υπολογιστές: η εποχή της πληροφορίας και των τηλεπικοινωνιών την οποία διανύουμε, επιδεικνύει ραγδαία επιστημονική εξέλιξη που μας αφήνει άφωνους. Περισσότερα στo σχετικό άρθρο που ακολουθεί. Επιλογή & Περιληπτική Εισαγωγή Καταχώρησης για τη Δικτυακή Πύλη της Δ.Δ.Ε. Ν. Βοιωτίας: Β. Ταβλά, εκπαιδευτικός ΠΕ05

2 ΤΗΛΕΜΕΤΑΦΟΡΑ από φως σε ύλη Του Rolf Haugaard Nielsen Το να εξαφανιστεί κάτι και την επόμενη στιγμή να εμφανιστεί σε ένα άλλο μέρος ακούγεται καθαρή επιστημονική φαντασία αλλά, απ ότι φαίνεται, δεν είναι. Πρόσφατα, μια ερευνητική ομάδα πέτυχε να τηλεμεταφέρει κβαντικές πληροφορίες από μια ακτίνα φωτός σε άτομα. Αυτός ο επιστημονικός άθλος ανοίγει το δρόμο για κβαντικούς υπολογιστές με απίστευτη υπολογιστική ικανότητα. Είναι αδύνατον να μπει κανείς σε ένα θάλαμο τηλεμεταφοράς στην Ευρώπη και να βγει στην Αυστραλία, αλλά στο μικρόκοσμο των ατόμων, που κυβερνάται από τους νόμους της κβαντομηχανικής, οι φυσικοί είναι σε θέση να πραγματοποιήσουν ένα παρόμοιο τέχνασμα. Δεν μπορούν, βέβαια, να στείλουν φυσικά αντικείμενα όπως τα άτομα πολύ μακριά στο χώρο μέσω ενός τηλεθαλάμου, αλλά μπορούν να καταστρέψουν μια ακτίνα φωτός σε μια μεριά και να ανακτήσουν ένα πραγματικό αντίγραφό της σε μια άλλη. Πρόσφατα, μια ομάδα Δανών και Γερμανών ερευνητών απέδειξε, για πρώτη φορά, ότι το φως μπορεί να τηλεμεταφέρει κβαντικά κωδικοποιημένες πληροφορίες σε ένα αέριο ατόμων. Τα πειράματα μπορούν να ανοίξουν το δρόμο για την κατασκευή πραγματικά επαναστατικών κβαντικών υπολογιστών [σ.σ.: εφεξής Κ/Υ], οι οποίοι θα κάνουν τους σημερινούς υπερυπολογιστές να μοιάζουν με απλά κομπιουτεράκια.

3 Όπως ακριβώς ένας συνηθισμένος Η/Υ, ο Κ/Υ θα πρέπει να έχει και μνήμη δεδομένων και διαύλους, προκειμένου να διακινεί πληροφορίες ανάμεσα στις μονάδες της μνήμης. Τα άτομα είναι η λογικότερη επιλογή ως μνήμη των Κ/Υ, επειδή μπορούν να αποθηκεύουν κβαντικές πληροφορίες, ενώ το φως είναι πιο κατάλληλο για γρήγορη εισαγωγή και εξαγωγή δεδομένων προς και από τις «ατομικές μνήμες». Το γεγονός ότι οι ερευνητές κατάφεραν τώρα να τηλεμεταφέρουν πληροφορίες από ακτίνα φωτός σε άτομα δίνει μια μεγάλη ώθηση στο όραμα της ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών. Το επόμενο βήμα είναι να αποδειχθεί ότι υπάρχει η δυνατότητα μεταβίβασης κβαντικών πληροφοριών από άτομα σε φως και ξανά σε άτομα, έτσι ώστε οι ερευνητές μα μπορούν να χρησιμοποιούν ακτίνες φωτός για να συνδέουν πολλές ατομικές μνήμες δεδομένων σε έναν Κ/Υ. Λέιζερ αντιγράφουν πληροφορίες Το ότι μπορούμε να τηλεμεταφέρουμε πληροφορίες στον κόσμο των κβάντων οφείλεται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται «κβαντική συσχέτιση» (quantum entanglement). Σε αυτό το φαινόμενο, δύο κβαντικά συστήματα, τα οποία ήταν κάποτε συνδεδεμένα, συνεχίζουν να είναι ακόμη κι όταν τα χωρίζει μια τέτοια απόσταση στο χώρο και στο χρόνο ώστε να μην μπορούν με κανέναν τρόπο να επικοινωνούν εσωτερικά, ούτε καν με την ταχύτητα του φωτός. Όταν, για παράδειγμα, δύο φωτόνια είναι συσχετισμένα, οι μεταβολές στην κβαντική κατάσταση του ενός αυτομάτως επηρεάζουν την κβαντική κατάσταση του άλλου, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά αυτό βρίσκεται. Μπορεί κανείς να δημιουργήσει σε δύο συσχετισμένες ακτίνες φωτός, εκπέμποντας μια ακτίνα λέιζερ μέσα από έναν μη γραμμικό κρύσταλλο, ο οποίος διαιρεί το λέιζερ στα δύο. Οι ακτίνες φωτός δημιουργούν, ξεχωριστά η καθεμιά, ένα ανοργάνωτο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το οποίο δεν περιγράφει κάτι για την αρχική ακτίνα φωτός, αλλά οι πληροφορίες της οργανωμένης ακτίνας μπορούν να συνενώσουν εκ νέου τις ακτίνες. Αυτό ακριβώς το φαινόμενο εκμεταλλεύτηκε ο Eygene Polzik και οι συνεργάτες του, το 1998, για να τηλεμεταφέρουν κβαντικές πληροφορίες από μια ακτίνα φωτός σε μια άλλη. Υπό άλλες συνθήκες, κανείς δε θα πίστευε ότι αυτό μπορεί να επιτευχθεί, καθώς, σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, δεν μπορούμε να μετρήσουμε ή να αντιγράψουμε την κβαντική κατάσταση των φωτονίων χωρίς να το καταστρέψουμε. Οι φυσικοί έλυσαν το πρόβλημα χρησιμοποιώντας μια τρίτη ακτίνα φωτός, η οποία περιείχε τις κβαντικές πληροφορίες που επρόκειτο να τηλεμεταφερθούν. Η κωδικοποιημένη ακτίνα αναμείχθηκε με μία από τις ακτίνες του συσχετισμένου ζεύγους. Από εκεί και πέρα, οι φυσικοί μπορούσαν να μετρήσουν τις ιδιότητες της αναμεμειγμένης ακτίνας χωρίς να καθορίσουν τις κβαντικές πληροφορίες που υπήρχαν στην κωδικοποιημένη ακτίνα. Έτσι απέφυγαν να καταστρέψουν τις

4 πληροφορίες. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων αναμείχθηκαν με την άλλη ανοργάνωτη ακτίνα, και εφόσον αμφότερες οι ανοργάνωτες ακτίνες αλληλοεξουδετερώθηκαν, το καθαρό αποτέλεσμα ήταν ένα πραγματικό αντίγραφο της κβαντικά κωδικοποιημένης ακτίνας. Ένα κβαντικό bit χωράει και το 0 και το 1 Το πείραμα απέδειξε ότι οι κβαντικές πληροφορίες μπορούν να μεταφέρονται από τη μια ακτίνα φωτός στην άλλη και ότι μπορούμε να εκμεταλλευτούμε τη γνώση αυτή για υπερταχεία μεταφορά δεδομένων σε έναν Κ/Υ αλλά τα σωματίδια φωτός, που κινούνται με χλμ./δευτερόλεπτο, είναι ακατάλληλα ως μνήμη δεδομένων. Έτσι, οι ερευνητές χρειάστηκε να εργαστούν σκληρά για να μπορέσουν να τηλεμεταφέρουν κβαντικές πληροφορίες από το φως σε άτομα μια που τα άτομα είναι πολύ καταλληλότερα από το φως στο να διατηρούν την κβαντική κατάσταση και, ως εκ τούτου, να αποθηκεύουν πληροφορίες. Η κβαντική κατάσταση των ατόμων για παράδειγμα, το λεγόμενο σπιν τους [ιδιοστροφορμή] μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για αποθήκευση πληροφοριών σε έναν Κ/Υ όσο και για υπολογισμούς. Το σπιν είναι μια έκφραση για την περιστροφή των ατόμων όσο δεν το μετράει κανείς, τα άτομα μπορεί να διαθέτει ένα σπιν-άνω και ένα σπινκάτω, που αντιστοιχούν σε μια περιστροφή κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού και μία περιστροφή κατά την αντίθετη φορά, ταυτόχρονα. Αυτό το παράξενο φαινόμενο ονομάζεται υπέρθεση και δίνει τη δυνατότητα στους Κ/Υ να χωρούν και ένα 0 και ένα 1 στο ίδιο κβαντικό bit [qubit]. Η δημιουργία υπερθέσεων απαιτεί, κατά κανόνα, πλήρη απομόνωση από τα άτομα στη μνήμη δεδομένων, καθώς οποιαδήποτε αλληλεπίδραση με το περιβάλλον ισοδυναμεί με μια μέτρηση που καθορίζει την κβαντική κατάσταση. Αυτό είναι ανεπιθύμητο, επειδή ο Κ/Υ παίρνει την ασύγκριτη υπολογιστική του ισχύ ακριβώς από το γεγονός ότι η κβαντική του κατάσταση δεν είναι καθορισμένη. Σκληρός δίσκος από άτομα Πολλές ερευνητικές ομάδες απέδειξαν ότι είναι εφικτό να κρατηθούν τα άτομα σε υπέρθεση με την απομόνωση μεμονωμένων ατόμων σε μαγνητικές παγίδες, έτσι ώστε να αποφεύγεται η αλληλεπίδραση με το περιβάλλον αλά ο Eugene Poltzik και η ομάδα του επέλεξαν μια άλλη στρατηγική: τοποθέτησαν στο μαγνητικό πεδίο αέριο με πολλά δισεκατομμύρια άτομα καισίου. Κι αυτό γιατί, ακόμη κι αν τα μεμονωμένα άτομα αλληλεπιδρούν με το δοχείο, η κβαντική κατάσταση στο συγκεντρωμένο πλήθος ατόμων δεν καταστρέφεται. Στο πείραμα επιτεύχθηκε κβαντική τηλεμεταφορά φωτός στο δοχείο με τα άτομα καισίου. Πριν από το πείραμα, το δοχείο εκτέθηκε σε ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο οργάνωσε το σπιν των ατόμων έτσι ώστε αυτά να περιστρέφονται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Με αυτόν τον

5 τρόπο, κατέστη δυνατός ο έλεγχος του σπιν των ατόμων με ραδιοκύματα, τα οποία διέθεταν αυτήν ακριβώς τη συχνότητα. Οι ερευνητές φρόντισαν στη συνέχεια, να έχουν όλα τα άτομα το ίδιο κάθετο σπιν, κι έτσι ξεκίνησε το πείραμα. Αρχικά, εκπέμφθηκε μια ισχυρή ακτίνα λέιζερ, που διαπέρασε το αέριο. Στο πέρασμά της, τα φωτόνια αλληλεπέδρασαν με τα άτομα, και οι κβαντικές καταστάσεις των δύο μέσων συσχετίστηκαν. Το αποτέλεσμα ήταν ότι η ακτίνα φωτός περιείχε πληροφορίες για την κβαντική κατάσταση των ατόμων. Η ακτίνα περιπλέχθηκε με την κβαντικά κωδικοποιημένη ακτίνα που επρόκειτο να τηλεμεταφερθεί, και εν συνεχεία οι αναμεμειγμένες ακτίνες στάθηκαν σε δύο ανεξάρτητους ανιχνευτές, οι οποίοι τις μέτρησαν. Τα αποτελέσματα απεστάλησαν τώρα με τη μορφή ενός συνηθισμένου ηλεκτρονικού σήματος πίσω στο δοχείο με τα άτομα καισίου. Προτού σταλεί το σήμα στο δοχείο, μετατράπηκε σε ραδιοσήμα, το οποίο είχε εκείνη ακριβώς τη συχνότητα που μπορούσε να αλλάξει το σπιν. Μόνο όταν τα αποτελέσματα των μετρήσεων συνενωθούν με την κβαντική κατάσταση των ατόμων στο δοχείο αναδημιουργούνται οι κρυμμένες πληροφορίες που μεταφέρει η κωδικοποιημένη ακτίνα και επειδή τα άτομα «γνωρίζουν» ήδη την κβαντική κατάσταση στην ακτίνα που απεστάλη πρώτη μέσω του δοχείου, το καθαρό αποτέλεσμα της τηλεμεταφοράς είναι ότι οι πληροφορίες της κβαντικά κωδικοποιημένης ακτίνας μεταφέρονται στα άτομα. Η επαναστατική ανακάλυψη του Eugene Polzik αποδεικνύει ότι μπορεί να τηλεμεταφέρει κανείς «κάτι» από το ένα μέρος σε ένα άλλο, με τη βοήθεια ακτινών φωτός. Κι έτσι δημιουργείται μια βάση για ένα νέο τύπο υπολογιστών και νέα δίκτυα επικοινωνίας, στα οποία μπορούν να ανταλλάσσονται από μεγάλες αποστάσεις απαραβίαστα κλειδιά κωδικών κβαντικής κρυπτογράφησης.

6 Απαραβίαστοι κωδικοί αφήνουν τους χάκερ άνεργους Ένα κβαντικό PC δύσκολα θα μπορούσε να θεωρηθεί μια ρεαλιστική ιδέα, αλλά οι κβαντικοί υπολογιστές (Κ/Υ) θα αχρηστεύσουν ενδεχομένως τους υπερυπολογιστές, ειδικά σε ό,τι αφορά περίπλοκους υπολογισμούς. Αυτό έχει να κάνει με το γεγονός ότι τα κβαντικά αντικείμενα, τα άτομα για παράδειγμα, μπορούν να βρίσκονται σε δύο διαφορετικές καταστάσεις ταυτόχρονα. Ενώ ένας συνηθισμένος Η/Υ μπορεί να περιέχει μόνο ένα 0 ή ένα 1 σε ένα bit, ένας Κ/Υ μπορεί να περιέχει τόσο το 1 όσο και το 0 στο ίδιο bit και αυτό του δίνει τη δυνατότητα να εκτελεί με αστραπιαία ταχύτητα εξαιρετικά περίπλοκους υπολογισμούς. Όταν ένας συνηθισμένος Η/Υ υπολογίζει με τη βοήθεια δύο τρανζίστορ, έχουμε 4 συνδυασμούς bit: 00, 01, 10 και 11. Κάθε φορά που ένα bit ανταλλάσσεται κατά τη διάρκεια ενός υπολογισμού, ένα από τα τρανζίστορ αναπρογραμματίζεται. Απαιτούνται τέσσερις λειτουργίες για να ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία. Ένας Κ/Υ με δύο άτομα μπορεί, απεναντίας, να κάνει τους υπολογισμούς και στους 4 συνδυασμούς σε ένα βήμα. Το σύνολο των bit που μπορεί να χειριστεί σε μία και την αυτή λειτουργία διπλασιάζεται κάθε φορά που μια επιπλέον «ατομική υπολογιστική μονάδα» συνδέεται στον Κ/Υ. Η τηλεμεταφορά είναι μια ρεαλιστική μέθοδος μεταφοράς δεδομένων ανάμεσα σε άτομα. Χρειάζεται να διανυθεί ακόμη πολύς δρόμος ως την εμφάνιση των Κ/Υ, αλλά οι ερευνητές προβλέπουν ότι η τηλεμεταφορά στο εγγύς μέλλον θα παίζει σημαντικό ρόλο στην κβαντικά κρυπτογραφημένη μεταβίβαση μεγάλου πλήθους δεδομένων μέσω καλωδιακών αγωγών φωτός. Με τους κβαντικά κρυπτογραφημένους κλειδάριθμους, οι χάκερ δεν θα μπορούν να υποκλέπτουν τηλεπικοινωνίες και να ανακατευθύνουν χρηματικά ποσά σε δικούς τους λογαριασμούς. Οι κωδικοί αυτοί είναι εντελώς απαραβίαστοι, με την εγγύηση τω νόμων της φυσικής. Αν ένας χάκερ προσπαθήσει να υποκλέψει τα φωτόνια των κλειδάριθμων, κατάσταση των φωτονίων θα αλλάζει, κι έτσι θα σβήνονται οι πληροφορίες αμέσως. Εφόσον θα μπορούμε με τη βοήθεια αγωγών φωτός να στέλνουμε μηνύματα με κβαντική κωδικοποίηση σε όλο τον κόσμο, θα χρησιμοποιούμε και ενισχυτές που θα στηρίζονται στην τηλεμεταφορά. SCIENCE ILLUSTRATED, Τεύχος 38, Μάιος 2008 Μεταφραστές περιοδικού: Γρηγόρης Κονδύλης, Δημήτρης Φωτόπουλος Επιμέλεια κειμένων περιοδικού: Πάρις Δάγλας