دور فرستی کوانتومی (Quantum Teleportation    )

اروین شرودینگر تنها فیزیکدانی نبود که پذیرقتن جنبه های نامعمول مکانیک کوانتومی برایش مشکل بود. آلبرت اینشتین، که شاید بزرگترین فیزیکدان قرن بیستم باشد، نشان داد که مکانیک کوانتومی از بعضی لحاظ نظریه ای نامطلوبی است. او همراه با دو همکارش، بوریس پودولسکی و ناتان روزن، آزمایشی تخیلی را مطرح کرد که فکر می کرد عیب این نظریه را نشان می دهد. ولی مانند آزمایش تخیلی شرودینگر، تمام کاری که اینشتین انجام داد برجسته کردن شگفتی این نظریه بود و مبنای ممکنی برای دورفرستی فراهم آورد، که به باریکه های به کار رفنه برای انتقال افراد و اشیا در فضا در مجموعه داستان علمی-تخیلی استار ترک شبیه بود.

این آزمایش تخیلی مستلزم مفهومی بود به نام درهم تنیدگی. در مکانیک کوانتومی، درهم تنیدگی به وضعیتی اطلاق می شود که درآن حالت های دو یا چند ذره، با آنکه ذرات ممکن است لز هم دور باشند، به شدت به یکدیگر مربوط اند. این وضعیت ها رخ می دهند چون حالت های نامعین ممکن است بیش از یک ذره را در بر گیرند، به گونه ای که بین حالت ها یا مسیرهای تک تک آن ها پیوند برقرار کند.

مثلا، هر الکترون یک جفت ممکن است از شکاف های متفاوت آزمایش دو-شکاف توصیف شده ی قبلی عبور کند. اگرچه مکانیک کوانتومی نمی تواند پیشاپیش بگوید که کدام الکترون، E1     یا E2    از کدام شکاف می گذرد، اگر اندازه گیری نشان دهد E1 از شکاف A می گذرد، آنگاه E2 باید از شکاف B بگذرد.

آنچه اینشتین را نگران می کرد این است که درهم تنیدگی درهر فاصله ای عمل می کند. حتی اگر ذرات مایل ها از هم فاصله داشته باشند، یا حتی اگر آن ها را در کهکشان های متفاوتی باشند، وقتی که اندازه گیری در مورد یکی انجام شود حالت های دیگری خود به خود تعیین می شود.

فرض کنید یک واکنش شیمیایی یا هسته ای دو الکترون ایجاد می کند که از یکدیگر دور می شوند، و ماهیت واکنش تولید الکترون های با اسپین های مخالف است، یک الکترون اسپین بالا و الکترون دیگر اسپین پایین دارد. مکانیک کوانتومی آزمایش را به صورت تصلدفی توصیف می کند.

دو الکترون و حالت هایشان مشخث اند، ولی پیشاپیش نمی توان تعیین کرد که کام الکترون اسپین بالا و کدام الکترون اسپین پایین دارد. اگر فیزیکدانی آزمایشی را روی یک الکترون اجرا و اسپین بالا را تعیین کند، آنگاه حالت نامعین سیستم، متشکل از دو الکترون، به یک حالت اسپین معین تبدیل می شود. یعنی حالت اسپین الکترون دیگر، که قبلا نامعین بود، اکنون با آنکه ممکن است خیلی دور باشد معین است.

این مطلب اینشتین را گیچ و سردرگم کرده بود زیرا افکار و نظریه های او نشان داد که هیچ اطلاعاتی نمی تواند سریع تر از سرعت نور حرکت کند، ولی دانشمندی می توانست حالت اسپین یکی از الکترون ها را با اندازه گیری تعیین کند که ممکن بود در سیاره ی دیگر یا حتی در کهکشان دوری انجام شده باشد.

با وجود بدگمانی های اینشتین، آزمایش های مشابه داستان جفت الکترون پیشگفته ثابت می کنند که این حادثه رخ می دهد. ولی نتایج نظریه های اینشتین را نقض نمی کنند زیرا این پدیده اطلاعات را منتقل نمی کند. اندازه گیری الکترون اول حالت دومی را تعیین می کند، اما راهی وجود ندارد که ناظر الکترون دوم بتواند از اندازه گیری رخ داده آگاه شود مگر اینکه از شخصی که آزمایش را انجام داده پیامی را که با وسیله ی متداولی مانند رادیو منتقل شده باشد، دریافت کند. حالت الکترون برای ناظر دوم هنوز نامعلوم است تا اینکه اندازه گیری انجام گیرد یا پیامی از ناظر اول دریافت شود.

اینکه درهم تنیدگی هیچ قانونی را نقض نمی کند، باز هم یکی از نتایج عجیب تر مکانیک کوانتومی به شمار می آید. اگر حالت اسپین الکترون دوم، همان طور که نظریه می طلبد، تا وقتی که مشاهده شود نامعین است. آنگاه به طریقی که بعد از آنکه کسی حالت الکترون اول را تعیین کرد حالت اسپین مناسب را اتخاذ کند. این اساس استدلال اینشتین بود، که مطلب شرودینگر درباره ی گربه را شبیه سازی می کند. اگر حالت الکترون دوم آمیزه ای از اسپین بالا و پایین باشد که تا زمان مشاهده معین نیست، آنگاه اندازه گیری ناظر اول به طریقی بر حالت الکترون دوم تاثیر می گذارد. اینشتین برای این مطلب توضیحی نداشت.

هیچ کس دیگر هم درگیری را به وسیله ی فیزیک کلاسیک توضیح نداد. با وجود این، فرآیند می تواند مفید باشد. اگرچه اطلاعات نمی تواند منتقل شود، از آن می توان نسخه برداری، و آن را با روشی به نام دورفرستی، از طریق فضا منتقل کرد.

نویسندگان داستان های علمی-تخیلی اصطلاح دورفرستی را قبلا ساخته بودند، البته تا قبل از مکانیک کوانتومی سازوکار عملی برای آن نداشتند. ایده ی آن روبش (اسکن) کردن یک جسم یا شخص در یک مکان و ایجاد یک نسخه ی کامل در مکان دیگری است. نسخه ی اصلی معمولا طی فرآیند از میان می رود، تنها چیزی که منتقل می شود ساختار، غیرقابل تشخیص از اصل گنجانده شده در نسخه ی تکثیر شده است. همان طور که در شکل نشان داده شده، دورفرست (teleporter) شبیه دستگاه دورنگار است، با این تفاوت که فرآیند روبش نسخه ی اصلی را از میان می برد.

درهم تنیدگی به دلیل کنش از دور که اینشتین را حیرت زده کرد، نقشی بازی می کند. آزمایشی متشکل از یک واکنش یا حادثه ای دیگر از ذرات درگیر را ایجاد می کند. با انجام دادن یک دسته آزمایش دقیق، ناظران در یک مکان حالت یک زیرمجموعه لز ذرات تعیین می کنند.

اندازه گیری ها به طریقی انجام می شوند که از حالت یکی از ذرات نسخه برداری می کنند. اندازه گیری، این حالت ذره را به دلیل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ برهم می زند، ولی ذرات درگیر اکنون در همان حالت اند. نسخه ی اصلی نابود می شود ولی نسخه ی بدل در مکان دیگری وجود دارد.

آزمایش های مربوط به فوتون ها تایید می کنند که دورفرستی کوانتومی می تواند رخ دهد. دانشمندان در دانشگاه واینا در اتریش فوتون را در 2004 در عرض رودخانه ای دانوب دورفرستی کردند. اگرچه در آزمایش های پیش تر در طول فاصله های کوتاه دورفرستی شده بودند، این نخستین بار بود که فرآیند در خارج از آزمایشگاه انجام می شد. یک کابل تار فیبرنوری در کف رودخانه حالت های بیت مانند (کیوبیت های) فوتون ها را به طرف دیگر منتقل می کرد.

آزمایش مهم دیگری در سال 2004 فرآیند را به اتم ها تعمیم داد. دانیل اف جیمز فیزیکدان از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس با گروهی از پژوهشگران در دانشگاه اینسبروک در اتریش، که به وسیله ی پروفسور دنیر بلات هدایت می شد، همکاری کرد. این دانشمندان به کمک یون های کلسیم، حالت های کوانتومی را در فقط تقریبا یک هزارم یک اینچ دورفرستی کردند، ولی این آزمایش قابل ملاحظه بود زیرا اتم ها از فوتون ها بسیار پیچیده ترند. بذای کنترل شرایط، پژوهشگران اتم ها را تا دماهای بسیار پایین سرد کرده، به کمک لیزرها حالت های آن ها را دستکاری کردند. هماندهی دقت تکثیر همیشه کامل نبود، ولی آزمایش نشان داد که هم ماده و هم نور را می توان دورفرستی کرد.

توانایی فعلی دورفرستی کوانتومی راه درازی را تا استار ترک پیش رو دارد، و فرستادن انسان به سیاره های دور در زمانی به این نزدیکی ها دور از ذهن است. انسان مجموعه ای به شدت پیچیده از اتم هاست و هماندهی کم تر از 100 درصد فاجعه به بار خواهد آورد. ولی مسئله یک مسئله ی مهندسی است. به برکت وجود مکانیک کوانتومی، قانونی در فیزیک وجود ندارد که از پیشرفت این فناوری در آینده جلوگیری کند.

فیزیک، در یک حرکت جسورانه، حجم زیادی از داستان های علمی-تخیلی را ناگهان به نظر عملی، یا حتی محتمل، ساخته است. اما شاید مهم تزین نتیجه ی مکانیک کوانتومی محدودیت های آن است. لاپلاس از جهان هستی رویایی داشت که با هر جزئیاتی قابل حدس بود، با دانستن اطلاعات کافی، هر رویدادی را می شد پیش بینی کرد.

مکانیک کوانتومی جهان هستی متفاوتی را آشکار می ساخت، که در آن احتمال نقش بازی می کرد. در زمان لاپلاس، بخت آزمایی فقط به نظر می رسید تصادفی باشد، مردم عقیده داشتند که نتیجه به دلیل کمبود اطلاعات قابل پیش بینی نبود.