با استفاده از یک حامل اطلاعات غیر-درهم‌تنیده یا کلاسیکی می‌توان به درهم‌تنیدگی کوانتومی بین دو بخش دور از هم دست یافت. این نتیجه‌ای است که سه تیم مستقل از فیزیک‌پیشگان با انجام آزمایش‌های اپتیک کوانتومی به آن دست یافته‌اند.

در‌هم‌تنیدگی٬ پدیده‌ای کاملاً کوانتومی است و به دو ذره (همانند فوتون‌ها یا الکترون‌ها) اجازه می‌دهد تا ارتباط بسیار نزدیک‌تری نسبت به آن‌چه فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌کند با هم‌دیگر داشته باشند. در طول سال‌های متمادی این موضوع نقش مهمی در ایجاد سیستم‌های اطلاعات کوانتومی٬ همچون رمز‌نگاری کوانتومی داشته است.

نمایشی که نشان‌دهنده‌ی‌ سه طرح‌ آزمایشی مختلف است. با استفاده از این طرح‌ها می‌توان توزیع درهم‌تنیدگی را با استفاده از یک حامل غیر-درهم‌تنیده آشکار ساخت. در این طرح کلی ابتدا سه فوتون یا سه پرتوی نوری (A,B,C) در حالات جداگانه وارد می‌شوند. آلیس A و C را می‌گیرد و سپس آن‌ها را در نوعی از فرآیند تداخلی قرار می‌دهد که یک همبستگی بین آن‌ها ایجاد می‌شود با این‌که درهم‌تنیده نیستند. پس از آن C نتیجه‌شده به باب فرستاده می‌شود و او آن را با B ترکیب می‌کند. در تحلیل پایانی A و B درهم‌تنیده هستند در حالی‌که حامل C هرگز با هیچ یک از آن‌ها درهم‌تنیده نشده است.

در بسیاری از پروتکل‌های رمز‌نگاری کوانتومی٬ دو بخش (که معمولاً به نام‌های آلیس و باب نامیده می شوند) مایلند اطلاعات را به شکلی ایمن با هم تبادل کنند. این تبادل اطلاعات با استفاده از منبعی که جفت فوتون‌ها را تولید می‌کند و این فوتون‌ها از لحاظ قطبش درهم‌تنیده هستند٬ انجام می‌شود. با وجود این‌که هر اندازه‌گیری که آلیس بر روی قطبش فوتون‌ها انجام می‌دهد اتفاقی است٬ نتیجه‌ی باب با نتیجه‌ی او همبسته خواهد بود. این یعنی وقتی مقایسه‌ی فوتون به فوتون انجام می‌شود٬ هم فوتو‌ن‌های آلیس و هم فوتون‌های باب به احتمال زیاد قطبش یکسانی دارند.

چالش مهمی در مقابل فیزیک‌پیشگانی که چنین سیستم‌های را تولید می‌کنند «واهمدوسی» است. واهمدوسی به معنی از بین رفتن درهم‌تنیدگی است. واهمدوسی زمانی اتفاق می‌افتد که یک سیستم کوانتومی با محیطش اندرکنش داشته باشد. معمولاً برای پرهیز از این موضوع پژوهش‌گران سعی می‌کنند تا یک سیستم درهم‌تنیده را کاملاً از محیط اطرافش ایزوله کنند؛ کاری که انجام آن بسیار دشوار است.

حالت‌های تفکیک‌پذیر

اکنون٬ پژوهشی که به شکل جداگانه در سه مقاله و در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز انتشار یافته است٬ طرح جذاب دیگری را برای حل این مشکل پیشنهاد می‌دهد. بر مبنای این طرح می‌توان درهم‌تنیدگی در رمز‌نگاری‌های کوانتومی را با استفاده از یک حامل اطلاعات که خودش درهم‌تنیده نیست٬ حفظ کرد.

آزمایشی که بر اساس این پژوهش‌ها پایه‌ریزی شده از حالات تفکیک‌پذیر بهره می‌برد. این حالات٬ حالات کوانتومی هستند که همبستگی‌های معینی را به نمایش می‌گذارند ولی در هم ‌تنیده نیستند. چنان حالاتی برای اولین بار در سال ۱۹۸۹ توسط فیزیک‌پیشگانی که سعی در فهم طبیعتِ دقیق حالات درهم‌تنیده داشتند٬ تعریف شده است. در این مورد٬ آلیس یک فوتون را در جهت خاصی قطبیده می‌کند (به عنوان مثال در جهت عمودی) و سپس از یک روش ارتباطی کلاسیکی (مانند تلفن) استفاده می‌کند تا به باب بگوید که فوتون‌ خود را در جهت دیگری (مثلاً در جهت افقی) قطبیده کند. هم فوتون‌های آلیس و هم فوتون‌های باب در حالت تفکیک‌پذیر هستند ودرنتیجه درهم‌تنیده نیستند. با این وجود در سال ۲۰۰۳ ٬ توبی کیوبیت (Toby Cubitt) از موسسه‌ی اپتیک کوانتومی ماکس پلانک در آلمان و همکارانش محاسبه کردند که در برخی موارد٬ می‌توان از حالات تفکیک‌پذیر برای ایجاد درهم‌تنیدگی استفاده کرد.

انتقال کلاسیک

اکنون الساندرو فدریز (Alessandro Fedrizzi ) از دانشگاه کوئینزلند در استرالیا و همکارانش این موضوع را در آزمایش‌گاه تایید کرده‌اند. آزمایش آنان با آلیس و باب شروع می‌شود که جفتِ درهم‌تنیده از فوتون‌ها (A,B) را به اشتراک گذارده‌اند. پس از آن٬ این درهم‌تنیدگی با معرفی حالات تصادفی دیگری تخریب می‌شود. این کار سبب می‌شود تا A و B حالات به شکل موثری تفکیک‌پذیر باشند. این حالات هنوز حامل همبستگی‌های هستند اما دیگر درهم‌تنیده نیستند. حال یک فوتون سوم (C) که آن هم یک حالت تفکیک‌پذیر است به عنوان حامل ظاهر می‌شود. بعد از آن آلیس A وC را از طریق یک دروازه‌ی کوانتومی ارسال می‌کند. این کار باعث می‌شود A و B با هم تداخل کرده و یک همبستگی دیگر (و نه درهم‌تنیدگی) بین آن‌ها ایجاد شود. سپس C به سوی باب ارسال می‌شود و او آن را با B خودش ترکیب می‌کند.

نتیجه‌ی جالب این است که A و B درهم‌تنیده هستند حتی اگر C هرگز با هیچکدام از آن‌ها درهم‌تنیده نشده باشد. بلکه C به سادگی موجب ارتباط درهم‌تنیدگی می‌شود. همچنین این محققان می‌گویند «ایجاد درهم‌تنیدگی با حاملان تفکیک‌پذیر در مقابل نوفه مقاوم است و در برخی موارد٬ تنها راهِ ایجاد درهم‌تنیدگی در محیط‌های نوفه‌دار است».

حالات نامعین

گروه دوم که کاری را به گونه‌ای مشابه به انجام رسانده‌اند٬ کریستیان پینتینجر (Christian Peuntinger) و همکارانش از موسسه‌ی علوم نوری ماکس پلانک در آلمان هستند. این تیم اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را مابین دامنه و فاز فوتون‌های دوتا از پرتوها (A و B) بکار برده‌اند. یکبار دیگر٬ C حامل اطلاعات درهم‌تنیدگی به B است اما خودش هرگز نه با A و نه با B درهم‌تنیده نشده است. این پژوهش‌گران می‌گویند نتایج آنان «استفاده از همبستگی‌های کوانتومیِ فراتر از درهم‌تنیدگی٬ برای برقراری یک منبع اطلاعات کوانتومی اساسی را برجسته می‌کند و امکان توزیع آن با استفاده از دوتایی‌ِ “ارتباطات کوانتومی تفکیک‌پذیر و کلاسیکی” را تایید می‌کند».

حالات نهفته

کریستینا ولمر (Christina Vollmer)٬ رومن اسنابل (Roman Schnabel) از موسسه‌ی آلبرت انیشتین در آلمان و همکارانشان سومین گروهی هستند که پروتکل بسیار مشابهی را دنبال کرده‌اند. تنها تفاوت موجود این است که این گروه با یک حالت درهم‌تنیده شروع کرده‌اند که بواسطه‌ی ترکیب یک بخش از این سیستم با محیط بیرونی پنهان مانده است.

این مقالات نشان می‌دهند که حالات تفکیک‌پذیری (که درهم‌تنیده نیستند) را می‌توان برای انتقال حالات درهم‌تنیده مورد استفاده قرار داد. این تکنیک می‌تواند بویژه در سیستم‌های ارتباطیِ کوانتومی که شامل بیش از دو ذره است مفید باشد درحالی‌که می‌توان از آن به عنوان وسیله‌ای برای درک بهتر درهم‌تنیدگی و پاسخگویی آن به نوفه و ارتباطات کلاسیکی نیز بهره برد.

هر سه‌ی این مقالات در مجله فیزیکال ریویو لیترز انتشار یافته‌اند.

درباره‌ی نویسنده:

تاشنا کامیسریای (Tushna Commissariat) گزارشگر physicsworld.com است.

منبع:

Classical carrier could create entanglement