آگاهي از بروزرساني وبلاگ

براي دريافت آخرين مطالب ، ايميل خود را وارد كنيد (فراموش نكنيد كه بر روي لينك فعالسازي كه براي شما ايميل ميشود كليك كنيد!):

Powered by FeedBurner

۱۳۸۹ دی ۱۶, پنجشنبه

جهان كوانتومي - بخش دوم: جابجايي و ارسال انسان به مكان هاي دوردست


جابجايي از اينجا به آنجا
آيا روزي خواهد رسيد كه ما بتوانيم انسانها رابه مكانهاي دوردست ارسال كنيم؟

احتمالا آزاردهنده ترين جنبه جهان كوانتومي براي فيزيكدان هايي كه با فيزيك كلاسيك آموزش ديده اند ، اين مسئله است كه هيچ چيز تا اندازه گيري نشود ، حقيقي به نظر نخواهد رسيد . فرض كنيد ميخواهيم رفتاري را در مورد يك ذره كوانتومي ، مثلا چگونگي قطبش ((Polarization يك فوتون نور بدانيم . در واقع پيش از اندازه گيري ، فوتون در جهت خاصي قطبيده نيست . به جاي آن ، فوتون داراي گستره ي شبح گوني از قطبشهاي ممكن است كه هر يك از آنها با احتمال ويژه اي اندازه گيري ميشود . وقتي قطبش فوتون را اندازه گيري ميكنيم به يك پاسخ معين دست مي يابيم . اما مشكل اين است كه تمام احتمالهاي شبح گون ديگر در اين فرآيند ناپديد ميشوند و حالت نامعين اصلي براي هميشه از دست خواهد رفت.
بنابراين عمل اندازه گيري يك ذره ، در واقع برخي از اطلاعات مربوط به حالت دست نخورده آنرا نابود ميكند . به نظر ميرسد كه نسخه برداري از رفتار اين ذرات و كاربست آن در جايي ديگر از لحاظ عملي ناممكن است.
اما يكي از ترفندهاي عجيب جهان كوانتومي ، اين نتيجه را تغيير ميدهد . با اين ترفند ميتوان يك حالت كوانتومي اندازه گيري نشده را – تا آنجا كه آماده فداكردن نسخه اصلي هستيد – بازسازي كرد . در آين ترفند از همان عدم قطعيتي استفاده ميشود كه در مكان اول ، اندازه گيري هاي كوانتومي را با مشكل روبرو كرده بود.
"چارلز بنت" از آزمايشگاه هاي
IBM در نيويورك ،نخستين فيزيكداني بود كه جنبه نظري ايده "ترابري كوانتومي" (Quantum teleportation) را در سال 1993 به جهان معرفي كرد . بنت و همكارانش روشي را در اختيار يك شخصيت فرضي به نام "آليس" قرار دادند تا او بتواند ذره اي را براي دوستش "باب" كه در جايي دور از او زندگي ميكند ارسال دارد . روش كار بدين صورت است كه باب ذره اي را ميسازد كه دقيقا حالت ذره اصلي آليس را دارد ، حتي اگر آليس هرگز نفهمد كه آن حالت چه بوده است.
فرض كنيد آليس و باب ميخواهند نسخه اي از يك فوتون را بسازند . آليس نميتواند فوتون خودش را اندازه گيري كند و نتايج را براي باب بفرستد ؛ زيرا اين كار برخي از اطلاعاتي را كه باب نياز دارد ، از بين ميبرد . خوشبختانه نظريه كوانتومي داراي ابزار بهتري براي اين ارتباط است . يك زوج اضافي از فوتونهاي "درهم تنيده" (
Entangled) كانال انتقال بين آليس و باب را ميگشايد . بنابر نظريه كوانتومي ، يك جفت فوتون را به گونه اي ميتوان درهم تنيده كرد كه ويژگي هاي آنها به شكل ناگشودني به پيوند هم درآيند . چنين پيوندي ، حتي اگر فوتونها به دو نقطه مقابل زمين فرستاده شوند ، پابرجا خواهند ماند . با اندازه گيري يك فوتون در قطب شمال ، بلافاصله حالت فوتوني ديگر در قطب جنوب تعيين ميشود.
اگر دچار سردرگمي شده ايد نگران نباشيد ، زيرا افراد سرشناسي مثل "
آلبرت انيشتن" و همكاران جوانتر او "بوريس پودولسكي" و "ناتن روزن" نيز به همين سرنوشت گرفتار آمدند! آنها سناريويي به نام سناريوي فوتوني را در سر مي پروراندند تا با استفاده از آن نشان دهند كه مكانيك كوانتومي چقدر پوچ و غيرقابل قبول است . چنين به نظر ميرسد كه اين اثر ، يعني اندازه گيري در جايي و پيدايش لحظه اي آن در جاي ديگر ، بايد انتظاري ناممكن باشد . اما شگفت اينكه آزمايشها نشان داده اند كه "جفت ذره هاي EPR" (برگرفته از نام سه دانشمند ياد شده) ، واقعا با اين گونه "شبح گون" (Spooky ، شبح گون واژه اي بود كه خود انيشتن به كار برد) پيوند ميخورند . اكنون ميپردازيم به حل مسئله آليس و باب.
آليس فوتون اندازه گيري نشده اي در اختيار دارد كه ميخواهد آنرا براي باب بفرستد . نخست او يك جفت از فوتونهاي پيوندخورده
EPR را ميسازد و يكي از آنها را براي خودش نگه ميدارد و ديگري را براي باب ارسال ميكند . سپس فوتون اندازه گيري نشده خود را به بر هم كنش با فوتون EPR واميدارد و نتيجه برهم كنش را اندازه ميگيرد و پاسخ را با يكي از روشهاي قديمي (تلفن ، پست الكترونيكي ، نمابر و يا كبوتر نامه بر!)براي باب ارسال ميكند.
بخش اسرار آميز كار همين جاست . باب پيام آليس را دريافت ميكند و برحسب آنچه كه در آن گفته شده ، چند عمل از پيش برنامه ريزي شده را بر روي فوتون
EPR خود (جفت فوتوني كه آليس روي آن كار كرده) انجام ميدهد . به عنوان مثال ، او قطبش فوتون خودش را تغيير ميدهد كه مقدار اين تغيير ، به اطلاعات فرستاده شده آليس بستگي دارد . در پايان اين فرآيند ، فوتون باب به يك نسخه كاملا مشابه با فوتون اندازه گيري نشده اصلي آليس تبديل ميشود . به اين ترتيب حالت كوانتومي فوتون اصلي از آليس به باب انتقال مي يابد (گرچه خود فوتون منتقل نميشود).
چه چيزي در اين ميان رخ ميدهد؟ بايد بدانيد كه براي بازسازي يك فوتون ، لازم است تا اطلاعاتي از حالت آن ارسال شوند كه اين اطلاعات بر دو نوعند:
نوع اوا ، اطلاعات معمولي و روزمره است كه بخش آسان كار است . شما ميتوانيد آنرا اندازه گيري و جزئيات را از طريق يك مسير معمولي ارسال كنيد . اما براي مورد دوم كه كوانتومي است و با اندازه گيري شما ناپديد ميشود چه بايد كرد؟ ترفند ارسال اين نوع اطلاعات ، در ارتباط پنهان و شبه گون بين فوتونهاي EPR آليس و باب نهفته است . اگر فوتون ناشناخته آليس وادار به برهم كنش با فوتون EPR شود ، آنگاه آليس فوتون EPR باب (نيمه دوم جفت درهم تنيده) را ميسازد كه اين فوتون EPR نيز با فوتون ناشناخته برهم كنش خواهد داشت.
بنابراين باب از طريق
كانال شبح گون EPR اطلاعات كوانتومي عجيب و غريبي از حالت فوتوني كه آليس قصد قصد فرستادن آنرا دارد ، دريافت خواهد كرد . اما اين همه ماجرا نيست چون آليس نيز بايد برهم كنش دو فوتون خودش را اندازه گيري كند و نتيجه را براي باب بفرستد . اگر همه اين كارها به درستي انجام شود ، باب مجموعه اي از اطلاعات كوانتومي شبح گون و اطلاعات معمولي و كهن كلاسيكي دريافت ميكند كه به او اجازه ميدهد فوتون ناشناخته اصلي آليس را بازسازي كند.
انجام درست اين آزمايش ، فوق العاده پيچيده و مشكل است ، امري كه اصلا تعجب آور نيست . اندازه گيري دوگانه اي كه آليس هم روي فوتون ناشناخته و هم روي فوتون
EPR خود بايد انجام دهد ، نياز به طراحي و اجراي دقيق دارد . آليس و باب بايد مطمئن باشند كه فوتونهاي EPR به هيچ وجه دستخوش برهم كنش خارجي نشوند و دست نخورده بمانند . به عنوان مثال ، اگر هر فوتون در بخشي از مسير خود به يك اتم سرگردان برخورد كند ، چنين رويدادي ارتباط شبح گون آنرا با فوتونهاي ديگر به هم ميزند . اما در سال 1997 دو گروه از دانشمندان ، يكي در دانشگاه اينسبروك و ديگري در دانشگاه رم ، موفق شدند يك فوتون را از يك سمت آزمايشگاهشان به سمت ديگر ارسال دارند.
در اين فرآيند چند قيد جالب خودنمايي ميكنند . نخست اينكه آليس بايد نتايج اندازه گيريهاي خود را با استفاده از يك وسيله استاندارد ، كه سرعت آن كمتر از سرعت نور است ، براي باب بفرستد . بنابراين گرچه بخش شبح گون عمل
ترابري لحظه اي است  ، اما بخش ناشبح گون آن  - كه به اندازه بخش شبح گون اهميت دارد – چنين نيست . اما ميدانيم كه سرعت ترابري كوانتومي نميتواند بيش از سرعت نور باشد ، چيزي كه دانستن آن انيشتن را خوشحال ميكرد! دوم اينكه اندازه گيري آليس ، حالت كوانتومي فوتون خود او را آشفته ميكند . بالاخره قيد سوم اين است كه آليس و باب ،  هيچيك هرگز نخواهند دانست كه حالت كوانتومي اصلي واقعا چه بوده است . اندازه گيري مستقيم يك حالت كوانتومي ، همواره اطلاعات مورد نظر را به شكل غير قابل پيش بيني نابود ميكند . آليس ميتواند يك حالت كوانتومي را براي باب بفرستد ، ولي بايد بداند كه هيچيك از طرفين هرگز نخواهند دانستچه حالتي را منتقل كرده اند.
اما تمامي آنچه كه گفته شد ، در مورد ترابري از نوع داستانهاي علمي تخيلي ، كه در آن انساني از مكاني از مكان ديگر ارسال ميشود ، چه نقشي خواهد داشت؟ مشكلات ويژه اي در اين مورد به ذهن ميرسد . براي انتقال مجموعه اي از اتمها (به جاي تنها يك فوتون) ، كانال ارتباطي
EPR نبايد تنها يك فقره از اطلاعات كوانتومي شبح گون را گسيل دارد ، بلكه مجبور به گسيل مجموعه كاملي از آنهاست . چنين كاري نه تنها نياز به جفتهاي فراواني از EPR دارد (كه به اندازه كافي مشكل آفرين است) ، بلكه هر EPR بايد شامل تعداد زيادي از ذرات باشد . فراهم آوردن چنين حالتي و ارسال آن به فضا ، بدون به هم خوردن يكپارچگي آن ، تقريبا غيرممكن است . به عنوان مثال فرض كنيد ميخواهيد شخصي به نام "ژان لوك پيكارد" را به نقطه دوردستي از فضا ارسال داريد . براي انجام اينكار شما بايد مشخصات كاملي از حالت كوانتومي همگاني هريك از آخرين الكترونها و اتمهاي بدن او را – تماما در يك لحظه – ارسال داريد ؛ كه كاري است مشكل . آليس بايد يك اندازه گيري لحظه اي ترتيب دهد كه همه اين اطلاعات را همزمان فراهم آورد و باب نيز بايد بازسازي پيچيده مشابهي را در سوي ديگر انجام دهد . فرض كنيد كه شما پيكره كوانتومي ژان لوك پيكارد را در جايي نابود و در جاي ديگر بازسازي ميكنيد . آيا پيكره بازسازي شده از هر لحاظ شبيه فرد اوليه خواهد بود؟ آيا رفتار و اعمال او شبيه به فرد اصلي است؟...تصور همه اين احتمالات را به شما واگذار ميكنيم!  

هیچ نظری موجود نیست:

ارسال یک نظر