Τηλεμεταφορά... Από την Live-Pedia.gr

Ο Αλέξανδρος μπήκε αποφασιστικά στον Tηλεθάλαμο της Oxford Street και πληκτρολόγησε γρήγορα τον προσωπικό του αριθμό. Μετά... εξαφανίστηκε. Αμέσως μετά βρισκόταν στο ηλιόλουστο σαλόνι του σπιτιού του, κάτω από την Ακρόπολη, και θαύμαζε για πολλοστή φορά τη θέα του Λυκαβηττού που απλωνόταν μπροστά από τη μεγάλη γυάλινη μπαλκονόπορτα. Πολλές φορές έπειτα από κάποιο ταξίδι προσπαθούσε να φανταστεί έναν κόσμο χωρίς Tηλεμεταφορά, όπως τον περιέγραφε ο πατέρας του, τότε που χρειάζονταν ώρες ή ακόμα και μέρες για να ταξιδέψει κανείς μέχρι την άλλη άκρη της υδρογείου, ακόμη και αν... βιαζόταν!

Εντάξει, η Tηλεμεταφορά δεν είναι και ο πιο οικονομικός τρόπος μετακίνησης, δεδομένου του τεράστιου όγκου της πληροφορίας που πρέπει να μεταφερθεί, όμως δεν κοστίζει περισσότερο από ένα ακριβό γεύμα για δύο σε κάποιο trendy εστιατόριο της πόλης. Κάθε σπίτι, γραφείο, υπηρεσία, νοσοκομείο ή ξενοδοχείο διέθετε ατομικούς θαλάμους Tηλεμεταφοράς που ήταν πλέον πιο συνηθισμένοι ακόμη και από τους θαλάμους δικτυακής επικοινωνίας, τους προ πολλού ηαντικαταστάτες των τηλεφωνικών θαλάμων που φιλοξενούνταν στα μουσεία ανθρώπινης ιστορίας. Χάρη στα ασύρματα δίκτυα υπήρχαν ακόμη και αυτοκίνητα εξοπλισμένα με θέσεις Tηλεμεταφοράς, αλλά, αν δεν επρόκειτο για ασθενοφόρα, κόστιζαν μια περιουσία.

Ο Αλέξανδρος έβαλε μια κούπα ζεστό καφέ και βούλιαξε στον καναπέ ρίχνοντας ένα γλυκό βλέμμα στη Μαρία που ήταν απορροφημένη στην ανάγνωση του άρθρου της σημερινής ηλεκτρονικής εφημερίδας: «Νέες αντιδράσεις της Εκκλησίας στην εγκατάσταση Tηλεθαλάμων έξω από εκκλησιαστικούς χώρους». Η Μαρία, μία από τις πιο αναγνωρισμένες ανθρωπολόγους στον κόσμο, είχε πολλές φορές έρθει αντιμέτωπη με τις σκληρές αντιδράσεις των κληρικών σχετικά με τις διαλέξεις της για την ευρύτερη χρησιμότητα της Tηλεμεταφοράς στη σύγχρονη ζωή. Σύμφωνα με τις αντιλήψεις τους, η τηλεμεταφορά σκότωνε την ψυχή του ανθρώπου και έπρεπε να απαγορευτεί, τουλάχιστον σε άτομα νεαρής ηλικίας. «Είναι σαν να πεθαίνεις! Δεν είσαι πια ο ίδιος, αλλά απλά ένα αντίγραφο, ένας κλώνος...».

Είναι δύσκολο να μη συνδέουμε την τηλεμεταφορά με την επιστημονική φαντασία, όμως εδώ και εννέα χρόνια αποτελεί πραγματικότητα. Όχι... μην πάει ο νους σας σε ειδικούς μυστικούς θαλάμους και θεωρίες συνωμοσίας. Η τηλεμεταφορά πραγματοποιείται στα εργαστήρια φυσικής των πανεπιστημίων, έστω και σε πολύ πρώιμο στάδιο.

Φαντασία ή πραγματικότητα;

Η Τηλεμεταφορά ανθρώπων μοιάζει προς το παρόν ασύλληπτη.

Στο άκουσμα της λέξης «τηλεμεταφορά» όλοι φανταζόμαστε υπερσύγχρονους θαλάμους τύπου Star Trek, μέσα στους οποίους με το πάτημα ενός πλήκτρου μπορούμε να εξαφανιστούμε και αμέσως μετά να εμφανιστούμε ως διά μαγείας κάπου αλλού. Στον κόσμο της επιστήμης η τηλεμεταφορά πραγματοποιείται καθημερινά στα πανεπιστημιακά εργαστήρια, με τρόπο αρκετά «μαγικό», αλλά λιγότερο εντυπωσιακό από εκείνον στο Star Trek. Οι σύγχρονοι επιστήμονες μπορούν προς το παρόν να τηλεμεταφέρουν την πληροφορία της ύλης σε μικροσκοπικό επίπεδο - για την ακρίβεια υποατομικό. Θα καταφέρουν άραγε να εφαρμόσουν κάποτε τα πειράματά τους και στο μακρόκοσμό μας; Αυτό είναι κάτι που μένει να το διαπιστώσουμε.

Για την ώρα, η τηλεμεταφορά στον πραγματικό κόσμο σημαίνει κβαντική τηλεμεταφορά, καθώς, όπως φαίνεται, μόνο σε κβαντικό επίπεδο μπορούμε να δημιουργήσουμε πιστά αντίγραφα του αυθεντικού. Έτσι, για να κατανοήσουμε τις λειτουργίες της πραγματικής τηλεμεταφοράς πρέπει να κάνουμε ένα ταξίδι στο μυστηριώδη κόσμο της κβαντομηχανικής, δηλαδή να μελετήσουμε τη συμπεριφορά του φωτός και της ύλης σε μικροσκοπική κλίμακα, όπου το παράδοξο είναι καθημερινότητα και η κοινή λογική πάει... περίπατο. Στην τηλεμεταφορά, όπως αυτή συμβαίνει σήμερα, δεν χρησιμοποιείται κάποια ροή ύλης ή ενέργειας. Η βάση της είναι η μεταφορά πληροφορίας με αντισυμβατικούς όμως τρόπους. Μαζί με τους φυσικούς νόμους της κβαντομηχανικής, τομείς-κλειδιά στην έρευνα της τηλεμεταφοράς αποτελούν η κβαντική κρυπτογραφία και οι κβαντικοί υπολογισμοί που σύντομα αναμένεται να μας δώσουν ένα νέο είδος υπολογιστών με απείρως μεγαλύτερες δυνατότητες από αυτές που γνωρίζουμε σήμερα.

Τηλεμεταφορά: από τη θεωρία στην πράξη

Το άλμα της τηλεμεταφοράς από την «επιστημονική φαντασία» στην «επιστημονική πραγματικότητα» έγινε στις 29 Μαρτίου του 1993... στο άρθρο Teleporting an Unknown Quantum State via Dual classical and Einstein-Podosky-Rosen Channels από τους Μπένετ (Bennet), Μπρασάρ (Brassard), Κρεπό (Crepeau), Χόζσα (Jozsa), Πέρες (Peres) και Γούτερς (Wooters) που είναι γνωστοί και ως «Οι Έξι του Μόντρεαλ». Θέμα του άρθρου ήταν ο τρόπος με τον οποίο δύο άνθρωποι, η Άλις και ο Μπομπ (όπως συνηθίζεται να ονομάζονται σε τέτοιου τύπου πειράματα), μπορούν να ανταλλάξουν με τον καλύτερο τρόπο πληροφορίες για την κβαντική κατάσταση ενός σωματιδίου. To άρθρο προκάλεσε το ενδιαφέρον του παγκόσμιου Τύπου κυρίως γιατί έδινε για πρώτη φορά επιστημονικό κύρος στον όρο «τηλεμεταφορά».

Στην πραγματική, κβαντική τηλεμεταφορά αυτό που τηλεμεταφέρεται δεν είναι ύλη ή ενέργεια (όπως στο Star Trek) αλλά πληροφορία.

Η πληροφορία που περιέχεται σε κάποιο αντικειμένο συσσωρεύεται και στέλνεται σε κάποιο άλλο μέρος, όπου και χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός τέλειου αντίγραφου του αυθεντικού αντικειμένου από τοπική ύλη. Η μέθοδος απόσπασης της πληροφορίας όμως δεν γίνεται με τις συμβατικές μεθόδους που έχουμε συναντήσει μέχρι σήμερα. Επειδή αυτή συμβαίνει σε κβαντικό επίπεδο, διαταράσσει τη συνάρτηση κύματος (wave function) του αντικειμένου, με αποτέλεσμα αυτό να χάνει την «ταυτότητά» του. Αυτό σημαίνει ότι, αν επρόκειτο για κάποιο μεγάλο αντικείμενο, αποτελούμενο από πολλά υποατομικά μέρη, στο τέλος της διαδικασίας αυτό θα είχε καταστραφεί! Αυτή η απώλεια του αυθεντικού αντικειμένου είναι τα «άσχημα νέα» της τηλεμεταφοράς στην πράξη. Η δημιουργία ενός πανομοιότυπου αντίγραφου στον τόπο που επιθυμούμε είναι τα «καλά νέα». Αν είστε διατεθειμένοι να δεχτείτε μια τέλεια ρεπλίκα στη θέση του αυθεντικού, τότε δεν υπάρχει αντίρρηση για τη διαδικασία.

Η τηλεμεταφορά ανθρώπων μοιάζει, προς το παρόν, ασύλληπτη. Η τηλεμεταφορά ενός ποντικιού, ενός ιού ή ακόμη και ενός σπίρτου εξάπτει τη φαντασία μας. Από την άλλη, η τηλεμεταφορά ενός υποατομικού σωματιδίου δεν συγκινεί και τόσο τα πλήθη. Το άρθρο του 1993 δεν ασχολείται καν με ολόκληρα σωματίδια. Αναφέρεται μόνο σε τηλεμεταφορά κβαντικών χαρακτηριστικών των σωματιδίων, όπως είναι, για παράδειγμα, το σπιν ενός ηλεκτρονίου ή η πολικότητα ενός φωτονίου. Αν και εκ πρώτης όψης αυτό δεν ακούγεται και τόσο εντυπωσιακό, πρόκειται για μια απίστευτη εξέλιξη, καθώς η ικανότητα να τηλεμεταφέρουμε κβαντική πληροφορία μπορεί να αποτελέσει την αρχή υλοποίσης κβαντικών υπολογιστών που θα είναι το πρώτο σκαλοπάτι για την τηλεμεταφορά πιο πολύπλοκων αντικειμένων, όπως είναι τα άτομα, τα μόρια ή το DNA.

Το 1998 ήταν η χρονιά της τηλεμεταφοράς. Από τέσσερα πειράματα προέκυψε ότι είναι εφικτή και μάλιστα με διάφορους τρόπους. Πρώτοι ο Αυστριακός φυσικός Αντόν Τσίλινγκερ και η ομάδα του κατάφεραν να τηλεμεταφέρουν φωτεινή κβαντική πληροφορία.

Σχετικά με το παραπάνω πειραματικό μοντέλο πρέπει να σημειωθούν τα εξής:

• Το φωτόνιο B έγινε όμοιο με το αυθεντικό Χ, ενώ το δεύτερο έχασε τις αρχικές του ιδιότητες και δεν είναι πλέον όπως πριν. Γι’ αυτό η διαδικασία ονομάζεται τηλεμεταφορά, διότι είναι σαν να μεταφέρθηκε τo X στη θέση του B.

• Η τηλεμεταφορά έλαβε χώρα, ενώ η Άλις και ο Μπομπ δεν έμαθαν ποτέ την πραγματική πολικότητα του Χ. Στην πραγματικότητα η έλλειψη αυτής της πληροφορίας είναι η αιτία που η τηλεμεταφορά ήταν εφικτή.

• Στην τηλεμεταφορά με τον παραπάνω τρόπο χρησιμοποιούνται δύο κανάλια επικοινωνίας, ένα κβαντικό και ένα κλασικό. Ενώ θεωρητικά δεν υπάρχουν όρια για την απόσταση στην οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί η τηλεμεταφορά, είναι απαραίτητο να υπάρχει και ένας τρόπος κλασικής επικοινωνίας μεταξύ της Άλις και του Μπομπ. Δεδομένου ότι μια κλασική επικοινωνία συμβαίνει με την ταχύτητα του φωτός, η συνολική διαδικασία δεν μπορεί να υπερβεί αυτή την ταχύτητα. (Ξεχάστε τα διαγαλαξιακά ταξίδια του Ντάγκλας Άνταμς.) Στην πράξη, η μεγαλύτερη δυσκολία του παραπάνω μοντέλου έγκειται στη μέθοδο μέτρησης Bell-state σε δύο διαφορετικά φωτόνια.

Ο πρώτος που θα κατάφερνε επιτυχή μέτρηση, θα είχε πετύχει τηλεμεταφορά στον πραγματικό κόσμο.

Και ο νικητής είναι...

Όπως συμβαίνει με τις μεγάλες εφευρέσεις, έτσι και με την τηλεμεταφορά τουλάχιστον τέσσερις ομάδες επιστημόνων συναγωνίζονται για την πρωτιά. Στο τέλος του 1997 ο Αυστριακός φυσικός Αντόν Τσίλινγκερ και η ομάδα του, που έκαναν το πείραμα του Ίνσμπρουκ, κατάφεραν να τηλεμεταφέρουν φωτεινή κβαντική πληροφορία σε απόσταση ενός μέτρου με επιτυχία 25% χρησιμοποιώντας τη μέθοδο μέτρησης Bell-state που είχε προτείνει τρία χρόνια νωρίτερα ο Σάντου Ποπέσκου στο Κέμπριτζ. Έναν επιτυχημένο εναλλακτικό τρόπο μέτρησης εφάρμοσε και η ομάδα του Φραντσέσκο ντε Μαρτίνι στη Ρώμη το καλοκαίρι του 1997, αλλά τα αποτελέσματα δεν δημοσιεύθηκαν πριν από το Μάρτιο της επόμενης χρονιάς. Από την εκτενή ανάλυση των αποτελεσμάτων των παραπάνω πειραμάτων οι επιστήμονες σχημάτισαν μια εικόνα σχετικά με τις αδυναμίες που υπήρχαν στον απόλυτο έλεγχο των κβαντικών συστημάτων και άνοιξε ο δρόμος για τα πειράματα που ακολούθησαν - αυτή τη φορά στην άλλη όχθη του Ατλαντικού.

Το πείραμα του Ίνσμπρουκ ξεκινά με ένα βραχύ παλμό υπεριώδους λέιζερ. Περνώντας μέσα από τον κρύσταλλο, αυτός ο παλμός παράγει ένα ζεύγος από συσχετισμένα φωτόνια Α και Β, που ταξιδεύουν στην Άλις και τον Μπομπ αντίστοιχα. Αντικατοπτρίζοντας τον παλμό πίσω μέσα από τον κρύσταλλο, ο παλμός δημιουργεί δύο ακόμη φωτόνια C και D. Ένας πολωτής προετοιμάζει το φωτόνιο D σε κάποια συγκεκριμένη κβαντική κατάσταση X. Το φωτόνιο C ανιχνεύεται, επιβεβαιώνοντας ότι το Χ έχει σταλεί στην Άλις. Η Άλις συσχετίζει το Α με το Χ χρησιμοποιώντας ένα διαχωριστή ακτίνας (beam splitter). Αν ανιχνεύσει ένα φωτόνιο σε κάθε ανιχνευτή (γεγονός που συμβαίνει με ποσοστό 25%), ενημερώνει τον Μπομπ που με τη σειρά του χρησιμοποιεί ένα beam splitter για να επαληθεύσει ότι το φωτόνιό του έχει αποκτήσει την πολικότητα του X, γεγονός που δηλώνει επιτυχή τηλεμεταφορά.

Λίγους μήνες αργότερα η ομάδα του Ρέιμοντ Λαφλάμ (Raymond Laflamme) στο Los Alamos National Laboratory του Νιου Μέξικο πραγματοποίησε ένα τεράστιο βήμα: την τηλεμεταφορά κβαντικής πληροφορίας πυρήνων ατόμου αντί φωτονίων. Έτσι, δικαίως κέρδισαν τη φήμη για την πραγματοποίηση της πρώτης ολοκληρωμένης τηλεμεταφοράς. Βέβαια, η μέθοδός τους είχε και αυτή περιορισμούς ως προς το είδος των σωματιδίων αλλά και την απόσταση της τηλεμεταφοράς. Ωστόσο και τα τρία παραπάνω πειράματα είχαν να κάνουν με συγκεκριμένες κβαντικές ιδιότητες, όπως το σπιν και η πολικότητα. Αυτοί οι περιορισμοί είχαν ως αποτέλεσμα να κυκλοφορήσει η φήμη πως ένα τέταρτο πείραμα που έγινε την ίδια περίοδο ήταν η πρώτη κανονική τηλεμεταφορά. Το πείραμα, επικεφαλής του οποίου ήταν ο Τεξανός Τζεφ Κιμπλ (Jeff Kimble), έλαβε χώρα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια και επιτεύχθηκε η τηλεμεταφορά ολόκληρων φωτονίων και όχι μόνο ενός ή δυο κβαντικών τους ιδιοτήτων.

Το 1998 ήταν η χρονιά της τηλεμεταφοράς. Από τέσσερα πειράματα προέκυψε ότι είναι εφικτή και μάλιστα με διάφορους τρόπους. Και τα τέσσερα όμως δεν είχαν εύρος δράσης μεγαλύτερο από μερικά μέτρα. Οι μελλοντικές εφαρμογές της τηλεμεταφοράς, όπως η κβαντική κρυπτογραφία και οι κβαντικοί υπολογιστές, έχουν σκοπό να την ταξιδέψουν πολλά μέτρα ή και χιλιόμετρα μακριά. Τα τελευταία τρία χρόνια, αρκετή πρόοδος έχει σημειωθεί προς αυτή την κατεύθυνση. Το 2003 ο Νικολά Γκισίν και οι μαθητές του στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, με τη βοήθεια της οπτικής των ινών κατάφεραν να πραγματοποιήσουν τηλεμεταφορά σε απόσταση δύο χιλιομέτρων, χρησιμοποιώντας οπτική ίνα σε σπείρες μεταξύ δύο εργαστηρίων που απείχαν 55 μέτρα. Ένα χρόνο αργότερα, ερευνητές του Πανεπιστημίου της Βιέννης έσπασαν το ρεκόρ της απόστασης ξανά, αυτή τη φορά στην ύπαιθρο, επιτυγχάνοντας τηλεμεταφορά από τη μια όχθη του Δούναβη στην άλλη, σε μια απόσταση 500 μέτρων, ξεπερνώντας με επιτυχία τα φυσικά εμπόδια της υγρασίας και της αλλαγής της θερμοκρασίας.

Και τώρα τι θα γίνει;

Όσο εντυπωσιακά και αν είναι τα παραπάνω πειράματα, απέχουν πολύ από εκείνα που αφορούν στην κβαντική τηλεμεταφορά μεγάλων αντικειμένων, δεδομένου ότι προκύπτουν δύο σημαντικά προβλήματα. Πρώτον, κάποιος χρειάζεται ένα ζεύγος από δύο συσχετισμένα αντικείμενα του ίδιου είδους και, δεύτερον, το τηλεμεταφερόμενο αντικείμενο πρέπει να απομονωθεί εντελώς από το περιβάλλον του. Στην περίπτωση που οποιαδήποτε πληροφορία διαρρεύσει από ή προς το περιβάλλον, η κβαντική κατάσταση του αντικειμένου υποβιβάζεται - αυτή η διαδικασία ονομάζεται Συμφασική Υπέρθεση (Decoherence).

Είναι πολύ δύσκολο να φανταστούμε πώς μπορούμε να επιτύχουμε την απόλυτη απομόνωση μεγάλων αντικειμένων, πόσο μάλλον ζωντανών οργανισμών που αναπνέουν αέρα και εκλύουν θερμότητα. Αλλά ποιος ξέρει; Μια μεγάλη έρευνα στην τεχνολογία της τηλεμεταφοράς έχει πλέον ξεκινήσει, με πειράματα στα οποία δοκιμάζονται διάφορα υλικά και συσκευές τηλεμεταφοράς. Ταυτόχρονα θετική είναι η εξέλιξη και στην έρευνα για την επίτευξη συσχέτισης (entanglement) αλλά και για τη δημιουργία προηγμένων κβαντικών υπολογιστών που θα διαχειρίζονται τους απέραντους όγκους πληροφορίας που απαιτεί η τηλεμεταφορά. Αν αναλογιστεί κανείς ότι ο όγκος πληροφορίας για την κωδικοποίηση των ατόμων που απαρτίζουν μια κούπα καφέ με τους συμβατικούς υπολογιστές απαιτεί υπολογιστικό χρόνο που ξεπερνά πολλές φορές την ηλικία του σύμπαντος, θα συνειδητοποιήσει ότι μόνο με τη βοήθεια των κβαντικών υπολογιστών θα μπορούσε αυτό να επιτευχθεί. Συσκευές που θα αποσυνθέτουν και θα ανασυνθέτουν την ύλη, πιθανόν με τη χρήση της νανοτεχνολογίας, έχουν συμπεριληφθεί και αυτές στο μελλοντικό πρόγραμμα. Σε μερικά χρόνια, λοιπόν, ίσως δούμε να γίνονται η τηλεμεταφορά μορίων και η χρήση των πρώτων κβαντικών υπολογιστών, ενώ μάλλον θα χρειαστούμε τουλάχιστον πενήντα με εκατό χρόνια ακόμη για να μπορούμε να τηλεμεταφέρουμε με ασφάλεια ζωντανούς οργανισμούς και –γιατί όχι;– και εμάς τους ίδιους. Τι είπα; Ασφάλεια; Μήπως θα έπρεπε να αρχίσουμε και την έρευνα για τη σύνταξη ολοκληρωμένων «Εγχειριδίων Λειτουργίας για την Ασφαλή Χρήση των Τηλεθαλάμων» για τα εγγόνια μας;

Το πειραματικό μοντέλο

Το ιδεατό μοντέλο της κβαντικής τηλεμεταφοράς βασίζεται σε έναν αποστολέα, την Άλις, και έναν αποδέκτη, τον Μπομπ, που μοιράζονται ένα ζεύγος συσχετισμένων σωματιδίων Α και Β (πράσινο). Η Άλις έχει ένα σωματίδιο Χ με άγνωστες κβαντικές ιδιότητες (μπλε) και κάνει μια μέτρηση Bell-state στα σωματίδια Α και Χ, παίρνοντας ένα από τα τέσσερα δυνατά αποτελέσματα. Στη συνέχεια, πληροφορεί τον Μπομπ για το αποτέλεσμα, χρησιμοποιώντας κάποιο συμβατικό τρόπο επικοινωνίας. Με βάση τα αποτελέσματα της Άλις, ο Μπομπ αφήνει το σωματίδιο Β απείραχτο (1) ή το περιστρέφει (2, 3, 4). Στο τέλος κρατά στα χέρια του ένα τέλειο αντίγραφο του Χ.

Ένα βασικό σύστημα τηλεμεταφοράς αποτελείται από δύο ανθρώπους. Ας τους ονομάσουμε Άλις και Μπομπ. Η Άλις θέλει να στείλει στον Μπομπ, ο οποίος βρίσκεται μακριά, ένα φωτόνιο (Χ) μέσω τηλεμεταφοράς. Για την ακρίβεια θέλει να του στείλει μονο μία ιδιότητα του φωτονίου, που λέγεται πολικότητα και είναι η φορά με την οποία αυτό ταλαντώνεται. Η Άλις δεν πρέπει να παρατηρήσει το Χ και να στείλει στον Μπομπ το αποτέλεσμα, δεδομένου ότι η μέτρηση θα το αλλάξει (σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ) και έτσι το αποτέλεσμα δεν θα αντιπροσωπεύει πλέον την πραγματικότητα του αυθεντικού φωτονίου. Το κλειδί για την τηλεμεταφορά του X είναι το φαινόμενο της συσχέτισης (entanglement). Αυτό που χρειάζεται είναι δύο ακόμη φωτόνια Α και Β που έχουν δημιουργηθεί με τέτοιον τρόπο, ώστε να είναι ένα συσχετισμένο ζεύγος (δηλαδή ό,τι συμβαίνει στο Α ταυτόχρονα συμβαίνει και στο Β). Το Α το κρατά η Άλις και το Β στέλνεται κατευθείαν στον Μπομπ. H Άλις παίρνει το Α και το συνδυάζει με το Χ. Για την ακρίβεια μετρά το Α και το Χ μαζί, με μια ειδική μέθοδο που ονομάζεται μέτρηση Bell-state, ενεργοποιώντας τη συσχέτιση μεταξύ τους.

Αυτή η μέτρηση κάνει δύο πράγματα: Αναγκάζει το Χ να χάσει την αυθεντική κβαντική του ταυτότητα και ταυτόχρονα προκαλεί μια στιγμιαία αλλαγή στο Β που έχει ο Μπομπ. Τώρα το Β μπορεί να έχει ίδια πολικότητα με το X ή κάποια πολικότητα «σχετική» με του Χ, κάτι που καθορίζει η μέτρηση Bell-state. O Μπομπ δεν γνωρίζει τι από τα δύο συμβαίνει και για να μάθει πρέπει να δεχτεί ένα μήνυμα από την Άλις χρησιμοποιώντας προφανώς κάποιον κλασικό τρόπο επικοινωνίας (τηλεφώνημα, e-mail κ.λπ. – μην πάει μακριά το μυαλό σας) που θα του δώσει το αποτέλεσμα της μέτρησης Bell-state. Με αυτή τη μέτρηση ο Μπομπ θα μετατρέψει (αν δεν είναι ήδη έτοιμο) το B σε ακριβές αντίγραφο του X. H μετατροπή που πρέπει να εφαρμόσει εξαρτάται από το αποτέλεσμα της μέτρησης της Άλις. Υπάρχουν τέσσερις πιθανότητες που αντιπροσωπεύουν τις τέσσερις κβαντικές σχέσεις μεταξύ A και Χ. Το ποια από αυτές μετρά η Άλις είναι κάτι τυχαίο και δεν έχει να κάνει με την αρχική κατάσταση του Χ. Έτσι, ο Μπομπ δεν γνωρίζει πώς να επεξεργαστεί το φωτόνιο μέχρι να επικοινωνήσει με την Άλις που θα τον πληροφορήσει τι βρήκε. Ίσως πρέπει, για παράδειγμα, να περιστρέψει το φωτόνιο κατά 180ο ή απλώς να μην κάνει τίποτε απολύτως.

Τι σχέση έχει η τηλεμεταφορά με την κβαντική φυσική;

Μέσα σε ένα σκοτεινό δωμάτιο κάπου στην Αυστρία, το 1997, η πρώτη τηλεμεταφορά έλαβε χώρα. Πάνω στον εργαστηριακό τους πάγκο, οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ κατάφεραν να καταστρέψουν μερικά «κομματάκια» από φως και να φτιάξουν ακριβή αντίγραφά τους ένα μέτρο πιο πέρα. Το φως, πίσω από την ιδιαίτερα οικεία για τον άνθρωπο μορφή του, κρύβει μεγάλα ερωτήματα. Τι είναι; Πώς συμπεριφέρεται; Και πώς είναι δυνατόν να εξαφανίζεται σε ένα σημείο και να εμφανίζεται κάπου αλλού την επόμενη στιγμή; Για να κατανοήσουμε την επιστήμη της τηλεμεταφοράς θα πρέπει να ασχοληθούμε με τη φύση του φωτός, ένα ζήτημα που απασχόλησε τους επιστήμονες στις αρχές του προηγούμενου αιώνα και από αυτό προέκυψε ένας νέος ανατρεπτικός τρόπος κατανόησης των φυσικών νόμων. Η κβαντική φυσική άνοιξε νέους ορίζοντες στην ανθρώπινη αντίληψη για τα πάντα και δημιούργησε μια σειρά από καινούργιες αρχές που βοηθούν στη μελέτη του σύμπαντος με πολύ πιο χαοτικό, φυσικό τρόπο.

Τα κβάντα

Στις 7 Οκτωβρίου του 1900 ο Μαξ Πλανκ, καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου, στην προσπάθειά του να εξηγήσει την ακτινοβολία του μελανού σώματος (Black Body Radiation) με βάση τους νόμους της θερμοδυναμικής, αναγκάστηκε να χωρίσει την ενέργεια σε μικροσκοπικά, στοιχειώδη μέρη, τα κβάντα, εισάγοντας μια καινούργια σταθερά, h=6,6x10-27 ergsecond, που ονομάζεται σταθερά Πλανκ. Έτσι συνέβη η μεγαλύτερη κρίση στην ιστορία της φυσικής, αφού για πρώτη φορά, από την εποχή του Νεύτωνα, κάποιος υπονοούσε πως η ενέργεια δεν είναι συνεχής αλλά χωρίζεται σε πεπερασμένα, μετρήσιμα μέρη. Χάρη σε αυτή την ανακάλυψη ο Πλανκ κέρδισε Νόμπελ Φυσικής το 1918 και ορίστηκε η αρχή της κβαντικής θεωρίας. Ιδιοφυή μυαλά, όπως του Αϊνστάιν, επηρεασμένα από την καινούργια αποκάλυψη, οδηγήθηκαν γρήγορα σε νέες ανακαλύψεις, όπως η εξήγηση για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και ο κβαντισμός του φωτός σε στοιχειώδη μέρη, τα φωτόνια. Κατόπιν, χρειάστηκαν τουλάχιστον δύο δεκαετίες για να εδραιωθεί η νέα θεωρία των κβάντα, ως η σημαντικότερη ανακάλυψη για τις λειτουργίες του μικρόκοσμου. Με την ατελείωτη σειρά πειραμάτων πάνω στη φύση του φωτός, που έγιναν τα επόμενα χρόνια, επιβεβαιώθηκε η νέα θεωρία αλλά ταυτόχρονα προέκυψε το εξής παράδοξο: Το φως συμπεριφερόταν άλλοτε σαν να είναι κύμα και άλλοτε σαν να αποτελείται από σωματίδια. Για την ακρίβεια επαληθεύτηκε ότι, όταν δεν ψάχνουμε για φωτόνια, η συμπεριφορά του είναι καθαρά κυματική. Όταν όμως θελήσουμε να παρατηρήσουμε φωτόνια, η συμπεριφορά του είναι ξεκάθαρα σωματιδιακή! Για την κλασική φυσική κάτι τέτοιο είναι ανήκουστο και ξεφεύγει πολύ από τα όρια του λογικού. H μεγάλη κρίση είχε ξεκινήσει και η σειρά από τα κβαντικά μυστήρια που ακολούθησαν άναψε την πρώτη σπίθα στη φαντασία για την πραγματοποίηση τηλεμεταφοράς.

Μια αβέβαιη φύση

Τα πρώτα σημάδια πως ο υλικός κόσμος είναι πολύ διαφορετικός από αυτό που δείχνει φάνηκαν το 1909, όταν οι ερευνητές Χανς Γκάιγκερ και Έρνεστ Μάρσντεν ανακάλυψαν ότι τα σωματίδια α (πυρήνες ηλίου) παρουσιάζουν κβαντικές ιδιότητες. Μερικά χρόνια αργότερα ο Νιλς Μπορ ανακάλυψε ότι τα ηλεκτρόνια στα άτομα της ύλης μπορούν να πάρουν μόνο συγκεκριμένες ενεργειακές τιμές, αποδεικνύοντας ότι και η ύλη αποτελείται από κβάντα και κερδίζοντας το Νόμπελ Φυσικής το 1922. Το επόμενο μεγάλο βήμα οφείλεται στον Βέρνερ Χάιζενμπεργκ (Werner Heisenberg) με τη νέα κβαντική θεωρία, γνωστή και ως κβαντομηχανική, που περιγράφει τους μηχανισμούς του μικρόκοσμου με πραγματικά πρωτόγνωρο για την εποχή τρόπο. Ο Χάιζενμπεργκ, στην προσπάθειά του να εξηγήσει τα παράξενα καπρίτσια της ύλης σε υποατομικό επίπεδο, κατέληξε σε ένα θεώρημα γνωστό και ως «αρχή της αβεβαιότητας», σύμφωνα με την οποία «είναι αδύνατον να μετρήσουμε με απόλυτη ακρίβεια τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου». Μάλιστα, η αρχή της

αβεβαιότητας υποστηρίζει ότι όσο πιο ακριβείς είμαστε στη μια μέτρηση τόσο περισσότερο σφάλουμε στην άλλη. Αυτή η θεώρηση αποτέλεσε το μήλον της έριδας για την επιστημονική κοινότητα της εποχής, καθώς κατέρριπτε τον ντετερμινισμό. Έκτοτε, η αρχή της αβεβαιότητας επιβεβαιώνεται συνεχώς στα εργαστήρια φυσικής παρουσιάζοντας μια συμπεριφορά της ύλης που φαίνεται να εξαρτάται από τη μέτρηση που κάνουμε κάθε φορά! Έτσι, μια ιδιαίτερη σχέση προκύπτει μεταξύ του παρατηρητή και του αντικειμένου παρατήρησης. Η σχέση αυτή μπορούμε να πούμε πως αποδεικνύει τις άπειρες παράλληλες πιθανότητες του κβαντικού κόσμου που συμβαίνουν κάθε χρονική στιγμή!

Η αρχή του Χάιζενμπεργκ πρακτικά σημαίνει ότι δεν μπορούμε ποτέ να «διαβάσουμε» τέλεια ένα αντικείμενο, ώστε να το τηλεμεταφέρουμε, δεδομένου ότι οι μετρήσεις της θέσης του και της ταχύτητας ή της ορμής του θα περιέχουν λάθη. Η αρχή της αβεβαιότητας ισχύει και για άλλα ζεύγη μεγεθών, με αποτέλεσμα να είναι αδύνατη η μέτρηση της ακριβούς κβαντικής κατάστασης ενός αντικειμένου. Παρ’ όλα αυτά, μια τέτοια μέτρηση θα ήταν απαραίτητη για να αποκτήσουμε όλη την πληροφορία που χρειάζεται για τη δημιουργία ενός απόλυτα όμοιου αντίγραφου. (Στο Star Trek υπάρχει ο «αποζημιωτής Χάιζενμπεργκ» που με κάποιο μαγικό τρόπο λύνει το πρόβλημα.) Η επιστημονική λύση δόθηκε από μια ομάδα επιστημόνων το 1993, όταν ανακάλυψαν έναν πρακτικό τρόπο χρήσης της κβαντομηχανικής για τηλεμεταφορά χωρίς να καταργείται η αρχή του Χάιζενμπεργκ, αξιοποιώντας μια πολύ παράξενη ιδιότητα της κβαντομηχανικής που ονομάζεται συσχέτιση (entanglement).

Μια παράξενη σχέση από απόσταση

Με βάση την «κοινή λογική» αντιμετωπίζουμε τα ξεχωριστά αντικείμενα σαν να είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους. Το καθένα έχει τη δική του πορεία, εκτός αν συνδέονται μεταξύ τους με κάποιους απτούς φυσικούς μηχανισμούς. Στον κβαντικό κόσμο, όμως, τα πράγματα είναι διαφορετικά. Εάν ένα σωματίδιο αλληλεπιδράσει με κάποιο σώμα (κάποιο άλλο σωματίδιο ίσως), τότε τα δύο αυτά δένονται μεταξύ τους με πολύ ισχυρό τρόπο. Κατά μια έννοια σταματούν να συμπεριφέρονται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο και μπορούν να περιγραφούν μόνο σε σχέση μεταξύ τους, λες και είναι συνδεδεμένα με κάποιο φυσικό σύνδεσμο. Το φαινόμενο κβαντικής συσχέτισης ισχύει είτε η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων είναι ένα χιλιοστό είτε είναι 10.000.000 έτη φωτός, ενώ μοιάζει να συμβαίνει ακαριαία, δηλαδή έξω από το χώρο και το χρόνο. Το παράδοξο αυτό είναι γνωστό και ως παράδοξο EPR –από τους τρεις επιστήμονες (Αϊνστάιν, Ποντόσκι, Ρόζεν) που ανέλυσαν τις συνέπειες της συσχέτισης σε μεγάλες αποστάσεις–, ενώ ο ίδιος ο Αϊνστάιν το αποκαλούσε, πολύ εύστοχα, «spooky action at a distance», δηλαδή «παράξενη σχέση από απόσταση».

Το παράδοξο EPR, όπως αποδείχθηκε και πειραματικά, αποτελεί τη βάση τόσο της τηλεμεταφοράς όσο και των κβαντικών υπολογιστών.

Πολλοί είναι εκείνοι που προσπάθησαν να δώσουν μια εξήγηση στο παράδοξο, ανάμεσα στους οποίους και ο Ιρλανδός Τζον Μπελ (John Bell) που εργαζόταν στο ερευνητικό κέντρο CERN, στην Ελβετία. Το 1964 o Μπελ απέδειξε ένα θεώρημα, σύμφωνα με το οποίο το φαινόμενο της συσχέτισης μπορεί να ανιχνευτεί μόνο αν δεν γνωρίζουμε από πριν τα χαρακτηριστικά των αντικειμένων προς μέτρηση διαφορετικά τα αποτελέσματα των μετρήσεων δεν υπακούουν στους νόμους της κβαντομηχανικής. Η παρατήρηση αυτή του Μπελ εισάγει φιλοσοφικά ερωτηματικά για την αντικειμενικότητα της ίδιας της επιστήμης. Ένα, πάντως, από τα πιο εντυπωσιακά συμπεράσματα που προκύπτει από τη συσχέτιση είναι ότι όλο το σύμπαν πρέπει να συνδέεται με αυτό τον παράξενο δεσμό, σε υποατομικό επίπεδο, αφού πριν από περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια ολόκληρη η ύλη του ήταν συγκεντρωμένη σε μια μικροσκοπική κουκκίδα. Αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε απειροελάχιστη μεταβολή στη φύση επηρεάζει έστω και σε πολύ μικρό βαθμό, ακαριαία, όλο το σύμπαν.

Τι κρύβεται πίσω από την ύλη;

Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι θεωρητικοί άρχισαν να αντιμετωπίζουν το φαινόμενο της συσχέτισης όχι μόνο σαν ένα γρίφο που τους εισάγει βαθύτερα στον κβαντικό κόσμο, αλλά και σαν ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει νέες μορφές επικοινωνίας και υπολογισμών. Ήταν ο χαμένος κρίκος μεταξύ της κβαντομηχανικής και μιας άλλης ραγδαία ανερχόμενης επιστήμης, της θεωρίας της πληροφορίας (Information Theory). Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία η θεμελιώδης ουσία πίσω από τα άτομα, τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια και τα quark φαίνεται πως δεν είναι ύλη αλλά πληροφορία.

Η πληροφορία είναι ο «εκφραστής» της ύλης και αλληλεπιδρά με αυτή, ενώ κάθε επεξεργασία της είναι εφικτή μόνο με φυσικά μέσα.

Και επειδή σε υποατομικό επίπεδο οι φυσικές αλληλεπιδράσεις σημαίνουν κβαντική μηχανική, αν καταφέρουμε να αποκτήσουμε άριστο έλεγχο σε κάποιο σύστημα σε κβαντικό επίπεδο, ειδικά αν δαμάσουμε τη δύναμη της συσχέτισης (entanglement), θα έχουμε μπροστά μας ένα απίστευτο εργαλείο διαχείρισης, αποστολής και επεξεργασίας πληροφορίας.

Αυτός μοιάζει να είναι και ο υπέρτατος σκοπός της νέας επιστήμης που ονομάζεται επιστήμη κβαντικής πληροφορίας (quantum information science), της οποίας η τηλεμεταφορά και οι κβαντικοί υπολογιστές είναι οι δύο πιο εντυπωσιακές εφαρμογές.

Τηλεμεταφορά και φαντασία

Η ιδέα ότι άνθρωποι και πράγματα εξαφανίζονται από ένα σημείο για να εμφανιστούν μυστηριωδώς σε κάποιο άλλο, χιλιόμετρα μακριά, δεν είναι καινούργια. Εδώ και χιλιάδες χρόνια τόσο σε μυστικιστικά κείμενα της Ανατολής όσο και στους μύθους του δυτικού πολιτισμού υπάρχει η έννοια της μεταφοράς της ύλης με τη βοήθεια «υπερφυσικών» δυνάμεων. Ο Βούδας αναφέρεται να εξαφανίζεται από την Ινδία για να εμφανιστεί αμέσως μετά στη Σρι Λάνκα, ενώ στη Βίβλο γίνεται λόγος για την τηλεμεταφορά του Φιλίππου με τη βοήθεια του Αγίου Πνεύματος. Στην καθολική χριστιανική φιλολογία αναφέρονται συχνά περιπτώσεις bilocation, το φαινόμενο δηλαδή της ταυτόχρονης ύπαρξης ενός ατόμου σε δύο διαφορετικά σημεία.

Πολλές από αυτές τις ενδιαφέρουσες ιστορίες κέντρισαν το ενδιαφέρον του Νεοϋορκέζου Τσαρλς Χόι Φορτ (Charles Hoy Fort) που το 1919 εξέδωσε το The Book of the Damned, το πρώτο από μια σειρά βιβλίων που είναι γεμάτα ημιφανταστικές ιστορίες μεταφυσικής με ψάρια και βατράχια να πέφτουν από τον ουρανό και μυστηριώδεις εμφανίσεις και εξαφανίσεις ατόμων. Στο τρίτο βιβλίο της σειράς, με τίτλο Lo! (1931), ο Φορτ χρησιμοποιεί έναν καινούργιο όρο: τηλεμεταφορά (teleportation). Για τον Φορτ η τηλεμεταφορά είναι μια διαδικασία βασισμένη σε ένα μείγμα φυσικών και μεταφυσικών δυνάμεων που πλαισιώνονται από μεγάλη δόση φαντασίας και υπερβολής, ένα συνονθύλευμα γεγονότων και μύθων. Στη «χρυσή εποχή» της επιστημονικής φαντασίας (1930-1950) μια πιο τεχνολογική προσέγγιση της τηλεμεταφοράς άρχισε να αποκτά υπόσταση. Βασιζόμενοι στην ανατρεπτική εξέλιξη της έρευνας των φυσικών επιστημών από τις αρχές του αιώνα, οι συγγραφείς έγραψαν για διαπλανητικά και διαστρικά ταξίδια με τη χρήση πολύ προηγμένων τρόπων μετακίνησης, που χρησιμοποιούνται με την άνεση που κάποιος χρησιμοποιεί το ασανσέρ στην πολυκατοικία του.

Ο Άρθουρ Κόναν Ντόιλ στον Professor Challenger (1927) γράφει για τη Μηχανή Αποσύνθεσης, ο Τζορτζ O. Σμιθ περιγράφει την «τράπεζα ύλης» για την αποσύνθεση και την ανασύνθεση τηλεμεταφερόμενης ύλης στο Special Delivery (1945), o Ε.Α. van Vogt στο The Mixed Men (1952) εξηγεί δύο τρόπους τηλεμεταφοράς, ενώ οι ήρωες των κόμικς της Marvel μπορούν να ταξιδέψουν μακριά μέσω των εξελιγμένων μηχανημάτων που κατασκευάζουν «τρελοί» επιστήμονες. O George Langelaan στο διάσημο διήγημά του Η μύγα του 1957 (που ένα χρόνο αργότερα έγινε κινηματογραφική ταινία) περιγράφει την τρομακτική πλευρά της τηλεμεταφοράς: Μια μύγα μπαίνει κατά λάθος στο θάλαμο τηλεμεταφοράς μαζί με τον ήρωα, με αποτέλεσμα να αναμειγνύονται τα μόρια του εντόμου με του ανθρώπου και να δημιουργείται ένα τέρας που μάταια προσπαθεί να αντιστρέψει το φαινόμενο.

Πολλά ακόμη γνωστά και άγνωστα μυθιστορήματα, τηλεοπτικές σειρές και κινηματογραφικές ταινίες παρουσιάζουν θαλάμους τηλεμεταφοράς, με πιο διαδεδομένη την πασίγνωστη τηλεοπτική σειρά Star Trek που πρωτοξεκίνησε το 1967 και που παίζεται μέχρι και σήμερα. Στο Star Trek το επανδρωμένο διαστημόπλοιο Enterprise είναι εξοπλισμένo με ειδικά transporters που τηλεμεταφέρουν στιγμιαία τους κοσμοναύτες του. Υπάρχει ένας σαρωτής σε κβαντικό επίπεδο που «διαβάζει» όλα τα υποατομικά σωματίδια του τηλεμεταφερόμενου ατόμου και τα υλοποιεί στο σημείο άφιξης. Ένα υπερεξελιγμένο φαξ δηλαδή!

...Ο Αλέξανδρος κοίταξε τους καταπράσινους κεντρικούς δρόμους της Αθήνας, απαλλαγμένους εδώ και χρόνια από τα καυσαέρια και το μποτιλιάρισμα των αυτοκινήτων, χάρη στην τεχνολογία της Tηλεμεταφοράς, και σκέφτηκε ότι ήταν η κατάλληλη ώρα για το ραντεβού του με τον παιδικό του φίλο Μάρκο, στην Κόκκινη Πλατεία της Μόσχας. Εδώ και τρία χρόνια ο Μάρκος εργαζόταν σε μία από τις μεγαλύτερες εταιρείες παροχής Tηλεμεταφοράς TSP (Teleport Service Provider) στη Ρωσία ως υπεύθυνος για τα συστήματα ασφαλούς ταξινόμησης της ύλης στα Yπερδοχεία των Tηλεθαλάμων. Τα Yπερδοχεία ήταν ειδικές δεξαμενές σε κάθε θάλαμο, στις οποίες αποθηκεύονταν ταξινομημένα τα μόρια της διασπώμενης ύλης έπειτα από κάθε Tηλεμεταφορά. Ήταν τα ίδια μόρια άνθρακα, οξυγόνου, υδρογόνου και αζώτου (αναφέροντας τα πιο βασικά) από την αποσύνθεση του κάθε χρήστη που αποχωρούσε από το θάλαμο, που χρησιμοποιούνταν για την επανασύνθεση κάποιου άλλου που ερχόταν στο θάλαμο, μια διαδικασία που εξοικονομούσε ύλη, αλλά και χρήμα. Χάρη σε αυτή την «έξυπνη» ιδέα διαδόθηκε η Tηλεμεταφορά σε κάθε γωνιά του κόσμου. Ο Μάρκος κατείχε πολύ καλά την τεχνολογία της τηλεμεταφοράς. «Μεταξύ των υπερδοχείων δεν είσαι τίποτε άλλο παρά πληροφορία...» του είχε πει κάποτε χαμογελώντας, «...ένας όγκος δεδομένων που χάρη στις κβαντικές ιδιότητες του φωτός και της ύλης μπορεί να πάει παντού. Ας είναι καλά οι κβαντικοί υπολογιστές...». Βέβαια ο Αλέξανδρος δεν μπορούσε να ξεχάσει πόσο σοβαρό γινόταν ξαφνικά το πρόσωπο του Μάρκου κάθε φορά που συζητούσαν για πιθανά σφάλματα στη διαδικασία. «Η Tηλεμεταφορά είναι το πιο ασφαλές μέσο» έλεγε εκείνος ψυχρά. Δεν είχε περάσει ένα δευτερόλεπτο από τη στιγμή που ο Αλέξανδρος πίεσε το πλήκτρο αποσύνθεσης μέσα στον Tηλεθάλαμο, όταν ένας εκκωφαντικός θόρυβος τον έκανε να κοκαλώσει. Τα γουρλωμένα μάτια του για πρώτη φορά αντίκριζαν μια μικρή κόκκινη φωτεινή επιγραφή στο πάνω μέρος του θαλάμου που τώρα αναβόσβηνε νευρικά: «Data Error!»...