Beam me up Scotty:אבל רק עבור חלקיקים קוונטיים

מדענים הצליחו לבצע טלפורטציה קוונטית – עוד שלב בחלום למימוש מחשב קוונטי ואולי גם לשיגור של סקוטי…

ב-1993 קבוצה של ששה מדענים ביניהם צ’רלס בנט ואשר פרס פרסמו מאמר שכותרתו, “טלפורטציה של מצב קוונטי בלתי ידוע באמצעות ערוצים דואלי קלאסי ואפ”ר”. המאמר היה בבחינת מהפכה כי התחיל את המחקר התיאורטי בטלפורטציה קוונטית. זהו מונח שמקורו במדע הבדיוני ופירושו: לגרום לעצם להעלם במקום אחד כאשר עותק מדויק שלו מופיע במקום אחר.

בשנים שלאחר מכן מדענים אחרים הדגימו טלפורטציה ניסויית במגוון מערכות: פוטונים בודדים, יונים כלואים וכולי. סבורים שלטלפורטציה הקוונטית יש עתיד שימושי בעיבוד מידע, תקשורת קוונטית ואולי אף היא תסייע בפיתוח מחשב קוונטי עתידי. אבל חובבי מדע בדיוני חולמים על יישומים אחרים לטלפורטציה והם וודאי יתאכזבו לשמוע שבעתיד הקרוב לא יהיה ניתן לשגר אנשים וגופים מקרוסקופיים אחרים. בעוד שטלפורטציה קוונטית מעבירה מצב קוונטי מחלקיק אחד לאחר, היא לא מעבירה מסה. בנוסף, המצב המקורי של החלקיק הקוונטי נהרס במהלך הטלפורטציה. כמובן שזה בגלל משפט אי השכפול, שלא מתיר יצירת שכפול של מערכת קוונטית נתונה וגם בגלל עקרון אי הודאות של הייזנברג, כפי שיוסבר בהמשך. לבסוף, לשיגור באמצעות טלפורטציה יש גבול מהירות סופית: ניתן לשגר באמצעות טלפורטציה במהירות שאינה עוברת את מהירות האור או במהירות האור, אך לא במהירות גבוהה ממנה – וזאת בהתאם לתורת היחסות הפרטית של איינשטיין.

בנט, פרס ושאר החוקרים סברו שניתן להשתמש בקורלציות בין זוגות חלקיקים קוונטיים בניסוי איינשטיין-פודולסקי-רוזן (אפ”ר), כלומר בשזירה קוונטית, להעברת מידע. הרי איינשטיין עצמו חשש שמע ניסוי אפ”ר יכול להעביר מידע בצורה “טלפאתית” (כלומר, במהירות גבוהה מזו של האור). אבל אנחנו יודעים שמעבר מידע מיידי באמצעות ניסוי אפ”ר הוא בלתי אפשרי. בנט חשב שאולי ניתן להשתמש בניסוי אפ”ר כדי להעביר מידע באמצעות “טלפורטציה”.

מצב שזור של שני חלקיקים מתאר מערכת קוונטית אחת במצב שבו החלקיקים מאבדים במובן מסוים מזהותם העצמית. המצב השזור לא מכיל מידע על החלקיקים הבודדים, אלא רק מציין ששני החלקיקים יהיו במצבים מנוגדים. פירושו שמדידה שמבוצעת על חלקיק אחד גורמת לחלקיק האחר להיות במצב הפוך. אין כל הגבלה על המרחק שבו החלקיקים יכולים להיות מרוחקים זה מזה. הם יכולים להיות במרחק עצום עד כמה שנרצה זה מזה; אבל משוואות מכניקת הקוונטים מנבאות, שכאשר מבוצעת מדידה בחלקיק אחד היא גורמת לחלקיק האחר להיות במצב הפוך. אפקט מוזר זה גרם לאיינשטיין לקרוא לניסוי אפ”ר “פעולה למרחוק של רוחות רפאים”.

בהתחלה חשבו שלא ניתן לממש טלפורטציה קוונטית: אם אנחנו רוצים לשבט או לשכפל במדויק עצם כאשר משגרים אותו למקום אחר, נצטרך לבצע שכפול של העצם בטרם נשגרו. כלומר, נצטרך למדוד את המיקום והתנע המדויקים של כל אטום ואטום בגוף; ורק אחר כך לשגר אותו ליעד הרצוי ולבסוף לבנות אותו מחדש על בסיס הוראות שמקבלים באמצעות ערוץ קלאסי ולא קוונטי. אבל השלב הראשון של המדידה הקפדנית הבו-זמנית של המיקום והתנע של כל אטום מפר ברגל גסה את עקרון אי הודאות של הייזנברג.

עקרון אי הודאות של הייזנברג אוסר עלינו לבצע מדידה מדויקת על מערכת קוונטית ולקבל מידע שלם על המצב הקוונטי שלה. לפי עקרון אי הודאות, ככל שנמדוד במדויק יותר את החלקיק הקוונטי, כך נפריע לו יותר על ידי תהליך המדידה. זאת עד אשר נגיע לנקודה מסוימת שבה כבר הפרענו לגמרי למצב הקוונטי המקורי של המערכת ועדיין לא חילצנו ממנה מספיק מידע כדי לבצע ממנה שכפול מדויק.

ב-1993 בנט, פרס ושאר המדענים מצאו דרך לעקוף את ההגבלה הזו על היכולת לבצע עותקים של המצב הקוונטי של החלקיק.

נגיד שנותנים לאליס מערכת קוונטית, פוטון, והפוטון מוכן במצב קוונטי שהוא בלתי ידוע לאליס. אליס שואפת להעביר לבוב מספיק מידע אודות המערכת הקוונטית בכדי שהוא יוכל ליצור העתק ממנה. אילו לאליס הייתה ידיעה אודות המצב הקוונטי של הפוטון היה לה מספיק מידע כדי להעביר לבוב. אבל אין לה כל דרך לדעת אותו. אם אליס תמדוד את המצב הקוונטי של החלקיק המקורי שלה זה יגרום לאיבוד מידע כלשהו. במצב הזה בוב לא יוכל לשחזר את המצב של החלקיק.

לכן הדרך היעילה ביותר שבה אליס תספק לבוב מידע אודות החלקיק שלה A היא לשלוח לבוב את החלקיק עצמו A. אבל אם היא לא יכולה לשלוח את החלקיק המקורי היא יכולה לגרום לחלקיק להיות באינטראקציה עם חלקיק אחר B במצב ידוע (אנסילה). אחרי האינטראקציה, חלקיק B נותר במצב הלא ידוע של A ואילו החלקיק המקורי A של אליס – במצב הידוע. ככה החלקיק B מכיל מידע שלם אודות החלקיק A של אליס. אליס שולחת לבוב את מצב החלקיק B ולא את מצב החלקיק המקורי A ובוב משחזר את הפעולות שלה כדי להכין עותק מהמצב הלא ידוע של החלקיק A שלה. כדי שמשפט האי שכפול הקוונטי יתקיים המצב הלא ידוע המקורי של חלקיק A של אליס נהרס בתהליך: זוהי ההרחקה של המצב הלא ידוע מידיה של אליס והופעתו אצל בוב זמן מאוחר יותר. זהו הבסיס לתהליך הטלפורטציה. ישנה העברה של מידע קוונטי ממערכת אחת לשנייה אבל לא שכפול קוונטי. תהליך הטלפורטציה לא מתרחש מיידית, מכיוון שהוא דורש שליחת סיגנל קלאסי מאליס לבוב כדי שהוא ישחזר את העותק מהמצב הלא ידוע של חלקיק A של אליס.

ביתר פירוט, תהליך הטלפורטציה הסטנדרטי מורכב מחלק קלאסי ומחלק לא קלאסי; כלומר המידע אודות המצב של החלקיק המקורי של אליס נשלח בשני חלקים בערוץ קלאסי ובערוץ קוונטי ואחרי שבוב מקבל את שני חלקי המידע הוא משחזר את המצב הקוונטי של החלקיק המקורי של אליס:

1. הערוץ הלא קלאסי: בהתחלה מכינים שני מצבי חלקיקים 2 ו-3 במצב שזירה קוונטית, זוג אפ”ר (האנסילה). אליס שואפת להעביר לבוב מצב בלתי ידוע של חלקיק, שאותו נכנה חלקיק 1. לכן יש לנו מערכת שכוללת את זוג חלקיקי האפ”ר 2 ו-3 ואת החלקיק עם המצב הבלתי ידוע לאליס של חלקיק 1, שאותו אליס רוצה לשגר בטלפורטציה. בשלב זה זוג האפ”ר עדיין לא מכילים כל מידע אודות המצב המקורי של חלקיק 1. אם נבצע מדידה בחלקיק 2 או חלקיק 3 לא נקבל כל מידע אודות חלקיק 1. אליס מקבלת חלקיק אפ”ר אחד (חלקיק 2) ואילו בוב מקבל את חלקיק האפ”ר השני (חלקיק 3). רק בשלב הבא שוזרים קוונטית את מצבי מערכת חלקיקי האפ”ר עם המצב המקורי של חלקיק 1 של אליס, שאותו רוצים לשגר.
2. כדי לצמד את המצב שרוצים לשגר בטלפורטציה של חלקיק 1 לחצי המצב השזור, המצב של חלקיק 2 אשר ברשותה של אליס (האנסילה), אליס מבצעת מדידת מצב בל בשני החלקיקים האלה. תהליך מדידה זה מסתיים בכך שהיא הורסת את המצב המקורי הבלתי ידוע לה של חלקיק 1 ומקבלת מצב אחד משולב של חלקיקים 1 ו-2 מתוך ארבעה מצבי בל משולבים שזורים אפשריים. כל ארבעת תוצאות המדידה האפשריות הן בעלות אותה סבירות.
3. הערוץ הקלאסי: כזכור חלקיק 2 של אליס הוא בשזירה קוונטית עם חלקיק 3 של בוב. כאשר אליס מבצעת מדידה בחלקיק 1 ובחלקיק 2 שלה, חלקיק 3 של בוב מושפע מהמדידה של אליס. כאשר החלקיקים 1 ו-2 של אליס הם באחד ממצבי בל, אז חלקיק 3 מיד גם הוא מסתדר באחד מארבעה מצבים: ארבעת המצבים האפשריים שבהם יכול להיות חלקיק 3 של בוב הם שילוב של המצב הכולל של חלקיקים 1, 2 ו-3 לפני ביצוע המדידה על ידי אליס ושל תוצאת המדידה שבוצעה על ידי אליס על חלקיקים 1 ו-2. כל אחד מארבעה מצבים אלה עבור חלקיק 3 של בוב מכיל את המצב המקורי של חלקיק 1 שאותו אליס שולחת. במצב הראשון בוב לא צריך לבצע כל פעולה כדי לקבל עותק של המצב של חלקיק 1 שאותו שלחה לו אליס. בשלוש האחרים ישנה פעולה כלשהי שבוב יצטרך לבצעה כדי להמיר את חלקיק 3 שלו לעותק של המצב המקורי של חלקיק 1.
4. כדי להשלים את מהלך הטלפורטציה אליס צריכה לשדר לבוב בערוץ קלאסי את תוצאות המדידה שלה כדי שבוב ידע באיזה מארבעת המצבים החלקיק שלו נמצא והוא יוכל ליישם את הפעולה המתאימה כדי לקבל עותק של המצב המקורי של חלקיק 1 של אליס. בוב יכול ליישם את הפעולה הנכונה רק במידה והוא מקבל את תוצאת מדידת מצב בל שבוצעה על ידי אליס. מידע זה הוא הכרחי להשלמת מהלך הטלפורטציה והוא מועבר באמצעות ערוץ תקשורת קלאסי. לכן המהירות המקסימאלית לטלפורטציה קוונטית היא מהירות האור. גם מעבר המידע הלא קלאסי בין חלקיקי האפ”ר אינו מתרחש מיידית, כי אין מעבר של סיגנלים בין חלקיקי האפ”ר, חלקיק 2 לחלקיק 3.

בעוד שלאחר השלמת הטלפורטציה בוב נותר עם העתק מדויק של המצב המקורי של חלקיק 1, אליס נותרה עם חלקיקים 1 ו-2 עם מצבים קוונטיים שהם ללא זכר למצב המקורי של חלקיק 1. ולכן חלקיק 3 הוא לא שכפול של חלקיק 1, אלא ניתן לראות בו חלקיק 1 שעבר טלפורטציה.
עכשיו נחשוב על מהלך הטלפורטציה במונחים של ביטים קוונטיים (קיוביטים). אליס (משדר) ובוב (מקלט) חולקים ביניהם שני חצאים של מצב שזור מסוים (מצב אפ”ר) של שני קיוביטים. אליס רוצה להעביר מצב של קיוביט שברשותה לבוב. היא מכינה מצב בודד של קיוביט. מצב הקיוביט הזה שברשות אליס הוא לא חשוב. אליס מודדת (פעולה בלתי הפיכה שהורסת מידע קוונטי ומחליפה אותו במידע קלאסי) את הקיוביט שברשותה ואת חצי המצב השזור (הקיוביט השני) והיא תשדר בערוץ קלאסי לבוב שני ביטים קלאסיים לגבי תוצאת המדידה הזו. מדידה זו מותירה את הקיוביט השלישי, שהוא בידי בוב, במצב שהוא מורכב מהמצב המקורי של הקיוביט של אליס וגם מפעולה כלשהי. ישנן שתי אפשרויות לפעולה הזו: או שאין פעולה אם שני הביטים הקלאסיים של אליס הם 00. או שיש שלוש אפשרויות לפעולה אם הם לא 00. כדי להשלים את מהלך הטלפורטציה אליס משדרת לבוב בערוץ קלאסי (העברת מצב ממקום אחד לשני) את שני הביטים הקלאסיים. בוב משתמש בהם כדי לבצע פעולת שחזור ובכך הוא יודע איזו אפשרות לבחור והוא משחזר ביציאה שלו עותק מהקיוביט שאותו שלחה אליס בכניסה.

למה נחוץ המידע הקלאסי? נגיד שבוב חסר סבלנות ולא רוצה לחכות למדידה של אליס. הוא מחליט לנחש את המדידה הקלאסית של אליס בטרם היא מגיעה. בוב משחזר את המצב המקורי הלא ידוע של חלקיק 1 כערבוב אקראי של ארבעת המצבים שבהם מסתדר חלקיק 3 שלו. מתקבל מצב מורכב שלא נותן כל מידע אודות המצב הטהור הבלתי ידוע של חלקיק 1 של אליס. זה חייב להיות ככה, בגלל שניתן להשתמש בקורלציה או בשזירה הקוונטית בין החלקיק 2 בכניסה לחלקיק 3 שאותו מנחשים ביציאה, כדי לשלוח סיגנלים מהירים מהאור. רק לאחר שאליס מבצעת את המדידה מהלך הטלפורטציה מושלם והמסר מאליס לבוב מועבר.

במהלך הטלפורטציה חלקיקי האפ”ר 2 ו-3 בהתחלה היו באינטראקציה ואחר כך הם נפרדו ונוצר מצב בשזירה קוונטית: חלקיק 2 הגיע ליעדו הסופי אצל אליס וחלקיק 3 ליעדו הסופי אצל בוב. פירושו של דבר שניתן לבצע טלפורטציה לעצמים רק בין אליס ובוב או בין יעדים אחרים בהם החלקיקים נמצאים ולא ליעדים בלתי ידועים שלא ביקרנו בהם. מידע חשוב מאוד למטיילים במסע בין כוכבים.

חוקרים החלו לחשוב על הכללת הטלפורטציה הקוונטית; על פעולות בקיוביטים, במדידות בל ובמצבים קוונטיים שזורים – כאשר כולם הם בהישג ידה של הטכנולוגיה העכשווית – כדי לבנות מודל תיאורטי אוניברסאלי למחשב קוונטי. מהלך הטלפורטציה הסטנדרטי מוביל ליעילות מוגבלת של מודל כזה למחשב קוונטי (25%). לכן צריך לשפר את היעילות הזו ל-100%, כלומר שהאמינות של הקיוביט המועבר תהיה 1. בגלל הצורך בתיקוני טעויות קוונטיות קשה מאוד ככה לפתח רכיבים קוונטיים יעילים. ב-2008 שני חוקרים, טוהיה הירושימה וסאטושי אישיזקה הציעו מהלך בשם “טלפורטציה מבוססת פורטים” (PBT). המטרה של PBT היא, שהפעולות שאותן בוב מבצע בעקבות המידע הקלאסי שהוא מקבל מאליס יהיו פשוטות יותר.

פרוטוקול ה-PBT דורש גם הוא שזירה קוונטית משותפת לאליס ובוב. שני החוקרים נסחו מהלך PBT דטרמיניסטי והסתברותי. נתמקד במהלך הדטרמיניסטי. במהלך הדטרמיניסטי ישנם הצעדים הבאים:

1. אליס ובוב שניהם חולקים 2N מצבים שזורים של קיוביטים (פורטים): לבוב יש מחצית מהקיוביטים, כלומר יש לו N קיוביטים B שמתאימים לפורטים של היציאה ולאליס יש גם מחצית מהקיוביטים, יש לה N קיוביטיםA שמתאימים לפורטים הכניסה.
2. אליס רוצה לשגר לבוב מצב לא ידוע של קיוביט C. אליס מבצעת מדידה משותפת ל-A ול-C כאשר יתכנו N תוצאות אפשריות למדידה על הקיוביטים A ו-C שלה. נגיד שאליס מקבלת תוצאת מדידה אחת כלשהי מתוך כל ה-N תוצאות האפשריות האלה, תוצאת מדידה i.
3. אליס מספרת לבוב את התוצאה i באמצעות ערוץ קלאסי. בוב מקבל את המצב שעבר טלפורטציה על ידי זה שהוא בוחר באחד מ-N הפורטים ביציאה שלו שתואם לתוצאת המדידה של אליס ומשמיד את כל שאר הפורטים (הקיוביטים) האחרים: כלומר שבוב משמיד את כל השזירה מלבד בפורט אחד. בוב תמיד מסיק שבפורט הנבחר ישנו המצב המשוגר בטלפורטציה, ולכן הוא לא צריך ליישם כל פעולה (באמצעות המדידה של אליס) כדי לחלץ העתק של המצב המקורי של הקיוביט C של אליס.

מהלך זה לכן מספק מעבד קוונטי דטרמיניסטי ואמין בהסתברות 1. זאת בתנאי שיש לנו אינסוף פורטים, כלומר כאשר N שואף לאינסוף. אם N הוא סופי אז מהלך טלפורטציה זה הוא מקורב.

אבל ב-1997 שני חוקרים (נילסן וצ’אנג) הוכיחו משפט no-go (סוג משפטים בפיסיקה שקובע שמצב כלשהו בתורת הקוונטים או פרוטוקול כלשהו לא יכול להתקיים: למשל תורות משתנים חבויים שמנסות להסביר את ההסתברות של תורת הקוונטים): לא יכול להתקיים מעבד קוונטי אוניברסאלי שניתן לתכנתו והוא דטרמיניסטי; ואם נספק לו הוראות דטרמיניסטיות אז בלתי נמנע שהתוצאה עצמה תכיל רעש. כלומר, מעבד קוונטי שניתן לתכנות יכול להתקיים רק אם הוא יפעל בצורה הסתברותית.

בדצמבר 2012 סרגי סטרלצ’ק מהמחלקה למתמטיקה יישומית ופיסיקה תיאורטית באוניברסיטת קיימבריג’, שהוביל מחקר יחד עם ג’ונתן אופנהיים מקיימבריג’ ומאוניברסיטת קולג’ בלונדון ומייקל הורודקי מאוניברסיטת גדנסק, הראו שישנן בעיות בפרוטוקול PBT: הפרוטוקול דורש כמות אדירה של שזירה אצל אליס כדי לשגר לבוב מצב בודד אחד.
מבחינה זו אם רוצים לממש בצורה פראקטית את טלפורטצית ה-PBT יהיה מאוד קשה לעשות זאת. לכן יש להקטין את כמות השזירה אצל אליס ולבצע טלפורטציה לרצף של מצבים קוונטיים. ככה נקבל תוכנית יותר יעילה ומחשוב קוונטי לא-לוקאלי יעיל.
ישנה עוד בעיה: אם רוצים לשגר במצב זה מצבים קוונטיים אחד אחרי השני, בוב מוחק את מרבית השזירה, ובדרך השזירה מתדלדלת או מתעוותת, נכנסים טעויות בשזירה, כאשר הטעות גדלה ככל שמשגרים יותר מצבים – וכך לא ניתן לשגר מצבים קוונטיים אחד אחרי השני.

הרעיון של החוקרים מאנגליה ומגדנסק הוא להציג מהלך של מחזור להפחתת כמות השזירה בטלפורטציה מסוג PBT ולשיגור של כמות גדולה של מצבים קוונטיים בזה אחר זה או סימולטאנית. החוקרים משלבים בין שני סוגי פרוטוקולי טלפורטציה: 1) אליס ובוב משתמשים במצבור סופי של מצבים. אליס כך מבצעת את שיגור הטלפורטציה של המצב, כאשר בוב צריך לבצע תיקון (פעולה) כדי לקבל את המצב המשוגר. 2) אליס ובוב משתמשים במצבור אינסופי של מצבים ואליס משגרת את המצב, כאשר בוב לא זקוק לתיקון בצד שלו.

כדי להפחית את כמות השזירה החוקרים מציעים שני פרוטוקולים שממחזרים את השזירה בחצי המצב השזור אצל אליס שמורכב מ-N פורטים (קיוביטים): בפרוטוקול הראשון אליס משגרת בטלפורטציה בזה אחר זה קיוביטים באמצעות מצב שזור משותף לה ולבוב, שמורכב כאמור מ-2N קיוביטים. אליס כך מיישמת הרבה פעמים את מהלך טלפורטצית ה-PBT. אבל במקום להפטר מהמצב השזור בסוף התהליך, אליס ובוב שומרים עליו ואליס ממחזרת את המצב השזור לשימוש חוזר. בפרוטוקול השני אליס מבצעת טלפורטציה למצבים שלה בבת אחת – לא אחד אחרי השני – ולכן היא משייכת באקראי את כל אחד מהמצבים לאחד מהפורטים. גם כאן חצי המצב השזור מתדלדל ביחס ישר למספר המצבים שאליס שולחת, כאשר יש גבול למספר הקיוביטים שהיא יכולה לשלוח ועליה למחזר את המצב השזור.

לתקציר המאמר המדעי