تله پورت کوانتومی فقط یک داستان علمی تخیلی نیست. این کاملا واقعی است و امروزه در آزمایشگاه ها اتفاق می افتد. اما انتقال اطلاعات و ذرات کوانتومی از راه دور با پرتوهای انسان در فضا فاصله زیادی دارد. از برخی جهات، حتی شگفت‌انگیزتر است.

جان پرسکیلفیزیکدان نظری در موسسه فناوری کالیفرنیا، یکی از نظریه پردازان برجسته محاسبات کوانتومی و اطلاعات است. در این قسمت، مجری مشترک جانا لوین با او درباره درهم تنیدگی، انتقال قطعات از ساحل به ساحل، و وعده انقلابی فناوری کوانتومی مصاحبه می کند.

گوش دادن به پادکست های اپل, Spotify, پادکست های Google, TuneIn یا برنامه پادکست مورد علاقه شما، یا می توانید آن را از کوانتوم.

رونوشت

Jآنا لوین: وقتی کلمه دوربری را می گویم، چه چیزی به ذهنم می رسد؟ شاید حمل کننده از پیشتازان فضا فوراً خدمه را به یک سیاره، یا TARDIS سفر در زمان دکتر چه کسی. در داستان های علمی تخیلی، تله پورت وسیله ای مناسب برای رساندن افراد از مکانی به مکان دیگر بدون اتلاف وقت در سفر است.

اما تله پورت کوانتومی؟ خوب، این چیزی به طور چشمگیری متفاوت است - و کاملا واقعی.

من جانا لوین هستم و این پادکستی «لذت چرا» است مجله Quanta، جایی که من با میزبان مشترکم به نوبت روی میکروفون می نشینم، استیو استروگاتزکاوش برخی از بزرگترین سوالات ریاضی و علوم امروزی.

تله‌پورتاسیون کوانتومی قدرت ناپدید شدن از یک مکان و ظاهر شدن در مکان دیگر، بدون سفر در میان است. اگرچه ممکن است هرگز با فیلم‌ها مطابقت نداشته باشیم، این فناوری احتمالاً ارتباطات، محاسبات و درک ما از دنیای اطرافمان را متحول خواهد کرد.

امروز، یکی از کارشناسان برجسته در زمینه تله پورت کوانتومی به ما ملحق شده است. جان پرسکیل استاد فیزیک نظری در موسسه فناوری کالیفرنیا و موسس و رئیس فعلی موسسه اطلاعات و ماده کوانتومی است. تحقیقات او فیزیک ذرات، نظریه میدان کوانتومی، و جنبه های کوانتومی جهان اولیه و سیاهچاله ها را بررسی کرده است. کار فعلی او این تحقیق را برای مشکلات حل نشدنی در محاسبات کوانتومی و اطلاعات به کار می‌برد. جان، به "لذت چرا" خوش آمدید.

جان پرسکیل: خوشحالم که اینجا هستم، جانا

لوین: از داشتنت خوشحالم من می خواهم وارد جزئیات این موضوع فوق العاده فنی شوم، اما آیا می توانید ما را با یکی از مفاهیم اصلی شروع کنید، که این ایده درهم تنیدگی، درهمتنیدگی کوانتومی؟

پیش مهارت: خب، درهم تنیدگی کلمه ای است که ما برای همبستگی های مشخصه بین بخش های یک سیستم کوانتومی استفاده می کنیم.

اول از همه، منظور ما از همبستگی چیست؟ ما می توانیم در مورد همبستگی برای بیت های معمولی صحبت کنیم. فرض کنید شما یک بیت دارید که یا 0 یا 1 است. و من یک بیت دارم که یا 0 یا 1 است. سپس اگر هر دو 0 داشته باشیم یا هر دو 1 داشته باشیم، این همبستگی بین بیت های ما است.

در مورد کیوبیت ها، می توان آنها را به روشی مشابه همبستگی کرد. وقتی کیوبیت را مشاهده یا اندازه گیری می کنیم - the آنالوگ کوانتومی یک بیت - ما کمی به دست می آوریم. اما چیزی که در مورد کوانتومی متفاوت است این است که بیش از یک راه برای نگاه کردن به یک کیوبیت وجود دارد.

بنابراین می توانید آن را به عنوان جعبه ای در نظر بگیرید که کمی داخل آن است. در داخل یا 0 یا 1 وجود دارد. و من دو راه برای نگاه کردن به داخل جعبه دارم. دو تا در داره من می توانم درب شماره 1 را باز کنم یا درب شماره 2 را باز کنم. و از هر طرف کمی می بینم.

و ما می توانیم برای هر دو راه ارتباط داشته باشیم. اگر هر دو درب شماره 1 را باز کنیم، بین بیتی که شما به دست می آورید و بیتی که من به دست می آوریم، همبستگی می بینیم. و اگر هر دو درب شماره 2 را باز کنیم، یک همبستگی می بینیم که به طور کلی می تواند متفاوت باشد.

و به این دلیل است که ما این روش‌های مکمل چندگانه برای نگاه کردن به یک کیوبیت داریم که آنها همبستگی‌هایی دارند که جالب‌تر و پیچیده‌تر از همبستگی‌های بین بیت‌های معمولی هستند.

اما رمز و راز این است: شما نمی توانید یک کیوبیت را بدون مزاحمت مشاهده کنید. این یک تفاوت بسیار مهم بین اطلاعات معمولی و اطلاعات کوانتومی است.

لوین: بنابراین فرض کنید ذره خود را به هم می ریزم و آن را مجبور می کنم تا حالت مشخصی به خود بگیرد. می‌توانیم آن را یک فرآیند اندازه‌گیری بنامیم، یا شاید من آن را تصادفی انجام دهم. و من متوجه شدم که آن یک 0 است. و به این ترتیب با ذره شما همبستگی داشت. آیا واقعاً - همانطور که مردم می گویند - سریعتر از سرعت نور به ذره شما تحمیل می کند که حالت خاصی را به خود بگیرد تا به همبستگی احترام بگذارد؟

پیش مهارت: نه، متاسفانه اینطور نیست. اوه، ای کاش می شد. اگر من به کیوبیت خود نگاه کنم، مهم نیست که شما به کیوبیت خود نگاه کرده اید یا نه. من فقط یک بیت تصادفی را می بینم. بنابراین، تنها پس از اینکه هر دو نگاه می کنیم و با یکدیگر صحبت می کنیم، می توانیم بگوییم که همبستگی داشته ایم.

اما، تا زمانی که صحبت نکنیم، هر یک از ما فقط تصادفی محض را مشاهده می کنیم، اما با شانس مساوی برای 0 یا 1 بودن، و هیچ راهی وجود ندارد که بتواند اطلاعاتی را منتقل کند.

لوین: حالا، البته، اگر با هم بحث کنیم، باید کندتر از سرعت نور، آن بخش از ارتباط، حرکت کند.

پیش مهارت: خوب، شما می توانید به سرعت نور بسیار نزدیک شوید، اما نه سریعتر. بنابراین، این یک مسئله بزرگ است، که ما واقعاً نمی‌توانیم، حتی اگر گرفتاری داشته باشیم، اطلاعاتی را از من برای شما سریع‌تر از زمانی که طول می‌کشد برای سفر از من به شما بفرستیم. درهم تنیدگی آن داستان را تغییر نمی دهد.

لوین: حیرت آور. اکنون، در اینجا ما درهم تنیدگی را مورد بحث قرار داده‌ایم که به آزمایش‌های فکری برمی‌گردد [آلبرت انیشتین تلاش برای مبارزه با مکانیک کوانتومی و گاهی اوقات علیه آن بود. حال، چرا انیشتین به طور معروف به این موضوع اشاره کرد:اقدام شبح آور از راه دور"؟ یا گاهی اوقات ترجمه «عمل شبح‌آلود از راه دور» است.

پیش مهارت: خوب، انیشتین به شدت احساس می کرد که نباید در قوانین اساسی فیزیک تصادفی وجود داشته باشد. او احساس می‌کرد که اگر ما همه چیزهایی را که می‌توان دانست - که قوانین فیزیک به ما اجازه می‌دهد بدانیم - در مورد یک سیستم فیزیکی بدانیم، باید بتوانیم به طور کامل آنچه را که در هنگام مشاهده آن سیستم خواهیم دید، پیش‌بینی کنیم.

و عقده از آن اصل تبعیت نمی کند. واقعاً تصادفی واقعی در جهان وجود دارد. حتی اگر همه چیز را در مورد آن جفت کیوبیت های درهم تنیده ای که من و شما به اشتراک می گذاریم بدانیم، باز هم نمی توانید وقتی به آن کیوبیت نگاه می کنید، آنچه را که می بینید، پیش بینی کنید. این فقط یک بیت تصادفی است. و این به این دلیل نیست که شما نمی دانید. این است که نمی توان آن را شناخت.

لوین: چگونه این به یک اهرم مهم در تله‌پورت کوانتومی تبدیل می‌شود؟ این به خودی خود تله پورت کوانتومی نیست. بنابراین، چگونه از آن بهره برداری می شود؟

پیش مهارت: این یک سوال ظریف است. بنابراین بیایید اکنون در مورد اینکه تله پورت کوانتومی چیست صحبت کنیم.

لوین: لطفا، بله.

پیش مهارت: پس الان در نیویورک هستید، درست است؟

لوین: من در نیویورک هستم، بله.

پیش مهارت: بسیار خوب، جانا، من در حال حاضر در کالیفرنیا هستم، و شما در نیویورک هستید، و من اتفاقاً یک کیوبیت اینجا در کالیفرنیا دارم. اینجا در دست من است. در یک اتم کوچک کدگذاری شده است. اما یک فدکس کوانتومی گاهی اوقات اشتباه می کند، بنابراین آنها این کیوبیت را برای من ارسال کردند، اما برای شما در نظر گرفته شده بود. خوب؟ بنابراین، به نوعی باید بفهمم که چگونه کیوبیت خود را به شما تحویل دهم. و اگر کانالی داشتیم که بتوانیم از آن برای ارسال اتم از کالیفرنیا به نیویورک استفاده کنیم، این یکی از راه‌های انتقال کیوبیت به شما خواهد بود. اما ما چنین ارتباطی نداریم که بتوانم از آن برای ارسال اتم استفاده کنم.

اما شما اتم را نمی خواهید، بلکه اطلاعاتی را می خواهید که در اتم است. خوب، اتفاقاً من و شما دیروز هوشمندانه این فکر را داشتیم که یک جفت کیوبیت درهم تنیده بسازیم، پیش‌بینی می‌کردیم که ممکن است در مقطعی بتوانیم از آنها استفاده کنیم.

و در اینجا کاری است که من می توانم انجام دهم. من می توانم این کیوبیت را که امروز دریافت کردم، بگیرم. من نمی دانم چه اطلاعاتی در آن وجود دارد. مقداری کیوبیت است که به من تحویل داده شد. و من می توانم آن را همراه با نیمی از جفت کیوبیت های درهم تنیده ای که من و شما به اشتراک می گذاریم مشاهده کنم.

و اکنون، من دو کیوبیت را مشاهده می‌کنم، و آن را در یک انجام می‌دهم - بیایید آن را اندازه‌گیری درهم تنیده بنامیم. ما به طور جمعی به این دو نگاه می کنیم و من می توانم دو بیت اطلاعات را از مشاهده آنها بدست بیاورم. و سپس - اکنون، از طریق یک پیوند ارتباطی معمولی، مانند آنچه که اکنون از آن استفاده می کنیم - می توانم آن دو بیت اطلاعات را برای شما ارسال کنم. و سپس، می توانید از این دو بیت اطلاعات برای انجام عملیاتی بر روی کیوبیت خود در نیویورک استفاده کنید.

و اکنون، آن کیوبیت در نیویورک همه همان اطلاعات کوانتومی آن کیوبیت مرموز را دارد که من امروز دریافت کردم. من نمی دانم وضعیت آن کیوبیت چگونه است و در واقع با مشاهده آن در آزمایشگاه خود آن را از بین می برم. اما ما می‌توانیم آن را به اصطلاح در نیویورک «تجسم مجدد» کنیم. و برای بازسازی کامل کیوبیت فقط به آن دو بیت اطلاعات نیاز دارید. این تله پورت کوانتومی است.

لوین: بنابراین، به نوعی، شما یک حالت کوانتومی در کالیفرنیا داشتید که می‌خواستید بتوانم آن را در نیویورک بدون ارسال از طریق فدرال اکسپرس، در سراسر کشور بازتولید کنم. تو از من می خواستی که بتوانم آن را بدون حرکت فیزیکی انجام دهم. بنابراین شما این راه هوشمندانه را برای من کشف کردید که بتوانم وضعیت را در آزمایشگاه خودم فقط با همین دستورالعمل های ساده بازسازی کنم.

و از این نظر، تله پورت شد. در پایان ناپدید شد زیرا شما دولت را نابود کردید، و روند تلاش برای یافتن اطلاعاتی که برای انتقال به من نیاز داشتید. اما زمانی که شما اطلاعات را منتقل کردید دوباره در آزمایشگاه من ظاهر شد. آیا چیز مهمی را در آن بازنویسی از دست دادم؟

پیش مهارت: خوب، من فکر می کنم چند نکته برای تقویت در آنچه شما گفتید وجود دارد. اولا من با این جمله شما که چیزی فیزیکی برای شما نفرستادم کاملا موافق نیستم. در واقع، من انجام دادم. دو بیت اطلاعات برات فرستادم

لوین: اوه، شما اطلاعاتی را برای من از طریق اینترنت ارسال کردید.

پیش مهارت: من نمی توانم بدون ارسال چیزی فیزیکی این کار را انجام دهم.

لوین: موافقت کردند

پیش مهارت: شاید این فوتون ها بودند که از طریق یک فیبر نوری از کالیفرنیا به نیویورک رفتند. و ارتباط بین ما در واقع برای این کار ضروری بود.

اما کافی نیست. این یک چیز خنده دار در مورد کیوبیت است. اگر بخواهم یک حالت کیوبیت تهیه کنم به اطلاعات زیادی نیاز دارم. می‌توانید به‌گونه‌ای هندسی یک کیوبیت را مانند یک فلش کوچک که در یک فضای سه‌بعدی اشاره می‌کند، تجسم کنید. می دانید، مانند سطح زمین. و اگر بخواهم به شما بگویم که چگونه کیوبیت را آماده کردم، یک نقطه از آن کره زمین را انتخاب می کنم، بنابراین باید طول و عرض جغرافیایی را با دقت بسیار بالا به شما بگویم که دقیقاً چگونه آن کیوبیت آماده شده است.

بنابراین، به یک معنا، اطلاعات زیادی وجود دارد که وارد می‌شود، اما بسیار کمی از آن بیرون می‌آید، زیرا وقتی آن‌ها را مشاهده می‌کنید، فقط یک بیت دریافت می‌کنید. بنابراین این یک بیت به شما نمی گوید که چگونه کیوبیت را، به اصطلاح، روی کره زمین در طول و عرض جغرافیایی معین قرار دهید. بنابراین به همین دلیل است که انتقال از راه دور قابل توجه است، زیرا من فقط آن دو بیت را برای شما ارسال کردم و این برای شما کافی بود تا آن را به طور کامل بازسازی کنید.

این دو بیت همراه با درهم تنیدگی است که ما به اشتراک گذاشتیم، که دیروز آینده نگری را داشتیم که آماده کنیم.

لوین: درست است، بنابراین این یک تفاوت بزرگ است. این شگفت انگیز است، در حال حاضر. شما اطلاعاتی را به صورت فیزیکی برای من ارسال می کنید، یا اینترنت یا سیگنال های نوری یا هر طور که آنها را برای من ارسال می کنید. اما به نوعی، به دلیل تنظیمات پیچیده ای که ما روی آن توافق کردیم، اطلاعات بیشتری کسب می کنم.

بنابراین به نظر نمی رسد که شما میز IKEA خود را داشته باشید، و من به اطلاعاتی در مورد نحوه ساختن میز نیاز داشتم و شما میز خود را تکه تکه کردید تا بفهمم چگونه مونتاژ شده است. هنوز هم باید تک تک اطلاعات را به من بگویید. بنابراین چیزی اساساً در مورد فرآیند کوانتومی با فرآیند کلاسیک متفاوت است. مزیت آن چیست؟ چرا اینقدر هیجان انگیز است؟ چه چیز بزرگی است؟

پیش مهارت: خب، اولا جنا، من و تو فیزیکدان های نظری هستیم، پس می دانی، برای هیجان زده کردن ما زیاد لازم نیست.

لوین: [خندان] کاملا.

پیش مهارت: اما چه فایده ای دارد؟ این سوال خوبی است. بنابراین، بیایید فرض کنیم که می‌خواهیم درهم تنیدگی را در سراسر جهان توزیع کنیم. خیلی جالب به نظر می رسد درست است؟ ما این را مسلم فرض کردیم که من و شما می توانیم بین کالیفرنیا و نیویورک درگیری مشترک داشته باشیم، و در مورد اینکه چگونه توانستیم این کار را انجام دهیم صحبت نکردیم.

در واقع، ما نمی دانیم در حال حاضر چگونه این کار را با فناوری موجود انجام دهیم. هیچ دلیلی وجود ندارد که اصولاً نتوانیم، اما به دلایل عملی، با فناوری‌هایی که در حال حاضر داریم، نمی‌توانیم یک کیوبیت از کالیفرنیا به نیویورک بفرستیم و بدون آسیب به مقصد برسد.

بهترین روشی که برای ارسال کیوبیت داریم، ارسال فوتون از طریق فیبر نوری است و فیبر نوری تلفات دارد. بنابراین اگر بخواهید یک کیوبیت را صد کیلومتر بفرستید، فقط یک شانس در 50 وجود دارد که آن را بدون ناپدید شدن بسازد. و اگر بخواهم آن را هزار کیلومتر بفرستم، که هنوز برای رسیدن به نیویورک کافی نیست، احتمال اینکه بتواند به آن برسد تقریباً صفر است.

بنابراین، چگونه می توانیم درگیری را به اشتراک بگذاریم؟ خوب، ما فکر می کنیم که این کار را با استفاده از انتقال از راه دور انجام خواهیم داد. کمی دایره ای به نظر می رسد، درست است؟ زیرا برای انجام دوربری به درهم تنیدگی نیاز داریم. اما ایده اینجاست: می‌توانم یک کیوبیت، مثلاً 10 کیلومتر، یا 50 کیلومتر، با احتمال موفقیت بسیار بالایی ارسال کنم.

لوین: این هنوز خیلی خوب است.

پیش مهارت: آره خیلی هم بد نیست اما حالا فرض کنید می‌خواهم تمام مسیر را از کالیفرنیا به نیویورک برسانم، بنابراین کاری که انجام می‌دهم این است که گره‌های کوچک زیادی را در طول مسیر معرفی می‌کنم، جایی که قرار است به نوعی ارتباط کوانتومی را به هم وصل کنیم. بنابراین بیایید تصور کنیم که سعی می کنیم از A به C برسیم و کاری که انجام می دهیم این است که درهم تنیدگی را بین A و B و بین B و C به اشتراک می گذاریم. و سپس راهی برای اندازه گیری B از دو نیمه این درهم تنیده ها داریم. جفت ما آن را مبادله درهم تنیدگی می نامیم.

شما دو کیوبیت را در B اندازه گیری می کنید و سپس به A و C می گویید: "اوه، این نتیجه اندازه گیری من بود." اکنون A و C می توانند درهم تنیدگی را به اشتراک بگذارند. خوب؟ در واقع، ما دامنه درهم تنیدگی را افزایش می دهیم. این یک نوع انتقال از راه دور است.

و من هنوز کل داستان را برای شما نگفته ام، زیرا اگر درهم تنیدگی از A به B چندان خوب نباشد و درهم تنیدگی از B به C چندان خوب نباشد، می توانیم جفت های درهم تنیدگی زیادی بگیریم که به نوعی نویز هستند. و ناقص، و راهی برای تقطیر آنها به جفت های درهم تنیده کمتر، که کیفیت بسیار بالاتری دارند، وجود دارد. و با انجام مکرر این کار، می توانیم بین کالیفرنیا و نیویورک ارتباط برقرار کنیم و سپس می توانیم از آن برای هر چیزی که می خواهیم استفاده کنیم. ممکن است از آن برای توسعه کلید مشترکی که می دانیم خصوصی است استفاده کنیم، یا ممکن است از آن برای ارسال اطلاعات کوانتومی استفاده کنیم.

در اینجا یک روش معمولی تر و مسافت کوتاه تر وجود دارد که در آن می توانیم از تله پورت استفاده کنیم. اگر دو تراشه در یک کامپیوتر کوانتومی داشته باشیم و بخواهیم اطلاعات کوانتومی را از یکی به دیگری بفرستیم، راهی که می‌توانیم این کار را انجام دهیم این است که درهم تنیدگی بین دو تراشه برقرار کنیم و سپس از انتقال اطلاعات برای ارسال اطلاعات از یکی به دیگری استفاده کنیم. . و این احتمالاً برای افزایش مقیاس محاسبات کوانتومی به سیستم‌های بزرگی که می‌توانند مشکلات واقعاً سخت را حل کنند، ضروری است.

لوین: برمی گردیم

[وقفه برای درج آگهی]

لوین: به «لذت چرا» بازگردید.

بنابراین شما واقعاً در مورد فناوری صحبت می کنید. من می‌دانم که شما اخیراً برای یک مرکز جدید در Caltech پیشرفت‌هایی انجام دادید. من معتقدم که مرکز اندازه گیری دقیق کوانتومی نامیده می شود.

پیش مهارت: درست است، بله. شما در حال انجام تحقیقات خود هستید.

لوین: آره و آیا این تا حدودی به سمت پیشرفت فناوری‌ها است؟ همانطور که گفتید شما یک فیزیکدان نظری هستید. این همان چیزی است که برخی افراد گفته اند، "مفید بودن شگفت انگیز ایده های بی فایده". اما آیا با مرکزی مانند آن به سمت پیشرفت فناوری‌ها می‌روید یا واقعاً به دنبال ایجاد انقلابی در درک اساسی ما از مکانیک کوانتومی یا هر دو هستید؟

پیش مهارت: ما واقعا نمی توانیم آن چیزها را از هم جدا کنیم. علم و فناوری با هم پیشرفت می کنند. همانطور که علم ما پیچیده تر می شود، فناوری های بهتری را توسعه می دهیم و این امکان اکتشافات جدید را فراهم می کند. وقتی علم پیشرفت می کند، از طریق ترکیبی از ایده های جدید و فناوری های جدید است.

بنابراین، برای مثال، من به کامپیوترهای کوانتومی علاقه مند هستم، و دلایلی وجود دارد که انتظار داشته باشیم در نهایت تأثیر عملی زیادی بر جامعه داشته باشد. اما همچنین ابزار فوق العاده ای برای کشف علمی است. بنابراین، در مرکز اندازه‌گیری دقیق کوانتومی، بله، ما در حال توسعه فناوری هستیم، اما با توجه به استراتژی‌های اندازه‌گیری بهتری که از ویژگی‌هایی مانند درهم‌تنیدگی کوانتومی بهره‌برداری می‌کنند، که به ما امکان می‌دهد اشیا را با دقت بیشتر و تهاجمی کمتر اندازه‌گیری کنیم.

همه می خواهند چیزها را بهتر اندازه گیری کنند، و استراتژی های کوانتومی می توانند به ما کمک کنند تا اندازه گیری هایی را انجام دهیم که در غیر این صورت ممکن نبود. این واقعاً موضوع فکری آن مرکز است.

لوین: بله، و همه می خواهند اطلاعات را بهتر و سریعتر کنترل کنند.

پیش مهارت: خوب، همه می‌دانند که اطلاعات مهم است، و اطلاعات کوانتومی برای چه استفاده خواهد شد و تأثیر عملی بزرگ آن کجا خواهد بود - هنوز سؤالات باز زیادی در مورد آن وجود دارد.

اما می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که با اطلاعات کوانتومی، با محاسبات کوانتومی، با استفاده از درهم تنیدگی کوانتومی برای اندازه‌گیری، می‌توانیم کارهایی را انجام دهیم که قبلاً نمی‌توانستیم انجام دهیم. و این در نهایت تاثیر عملی خواهد داشت.

لوین: آیا پیش‌بینی می‌کنید که این تأثیر عملی به زندگی روزمره ما گسترش یابد؟

پیش مهارت: در نهایت، من این انتظار را دارم. ما به طور قطع نمی دانیم که این تأثیر چگونه احساس خواهد شد. در مورد محاسبات کوانتومی، بهترین ایده ای که در حال حاضر داریم - و این یک ایده قدیمی است که به بیش از 40 سال قبل بازمی گردد. ریچارد فاینمن - این است که ما می‌توانیم از رایانه‌های کوانتومی برای درک عمیق‌تر نحوه رفتار سیستم‌های کوانتومی استفاده کنیم.

فیزیکدانانی مانند ما می‌دانند که این جالب است، اما همچنین مهم است زیرا می‌تواند کشف انواع جدیدی از مواد با خواص مفید، انواع جدیدی از ترکیبات شیمیایی، شاید از جمله مواد دارویی و غیره را امکان‌پذیر کند. و همه اینها در نهایت زندگی روزمره مردم را تحت تأثیر قرار می دهد. و با اندازه‌گیری کوانتومی نیز، من فکر می‌کنم فناوری کوانتومی واقعاً در نهایت همه چیز را در علم لمس خواهد کرد.

بیایید بگوییم در زیست شناسی و پزشکی، ما دوست داریم بتوانیم آنچه را که در داخل سلول ها می گذرد، به صورت غیر تهاجمی و با حساسیت بالاتر مشاهده کنیم. و این در نهایت برای درمان‌ها مهم خواهد بود، و همچنین برای درک عمیق‌تر علم زیست‌شناسی مهم خواهد بود.

لوین: همچنین مکانی برای تله‌پورت کوانتومی در درک ماهیت بنیادی گرانش وجود دارد، که می‌دانم حوزه مرکزی تحقیقات شما بوده است. چگونه ممکن است درهم تنیدگی در چیزهایی به این بزرگی و سخت مانند سیاهچاله ها نقش داشته باشد؟

پیش مهارت: برای من، این یکی از هیجان‌انگیزترین چیزها در مورد اطلاعات کوانتومی است، این است که به ما راه‌های تازه‌ای برای تفکر در مورد سایر سؤالات اساسی می‌دهد، از جمله در فیزیک ماده متراکم، جایی که ما در تلاش برای درک حالت‌های بسیار درهم‌تنیده ماده کوانتومی هستیم. و در فیزیک گرانشی.

این داستان به سال 1935 بازمی‌گردد، زمانی که دو مقاله معروف در مجله ظاهر شدند بررسی جسمی. یکی از آنها، توسط انیشتین و [ناتان] روزن، در مورد مشاهده بود که ما می توانیم راه حل هایی را در نسبیت عام برای معادلات اینشتین پیدا کنیم، که فضا-زمان را توصیف می کند، که در آن وجود دارد. یک کرم چاله در فضا. در آن زمان این به خوبی درک نشد، اما در واقع، راه حل دو سیاهچاله را توصیف می کند که دارای یک فضای داخلی مشترک هستند - نوعی کرم چاله که داخل این دو سیاهچاله را به هم متصل می کند.

و مقاله انیشتین، [بوریس] پودولسکی و روزن بود در مورد درهم تنیدگی کوانتومی و روش عجیبی که در آن به سیستم‌ها اجازه می‌دهد تا با یکدیگر ارتباط داشته باشند به گونه‌ای که ما نمی‌توانیم آن را از نظر اطلاعات کلاسیک توصیف کنیم.

و آنچه در 10 سال گذشته به آن پی برده ایم: این دو پدیده، درهم تنیدگی کوانتومی و کرم چاله در فضا، ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند. در واقع، آنها را می توان به عنوان دو روش برای توصیف یک چیز در نظر گرفت. این یک چیز رایج در فیزیک و بسیار قدرتمند است. اگر ما دو روش متفاوت برای توصیف یک پدیده داشته باشیم، که به نظر بسیار متفاوت از یکدیگر هستند، اما دقیقاً فیزیک مشابهی را توصیف می‌کنند، این می‌تواند به ما قدرت دهد تا درک عمیق‌تری داشته باشیم.

و بنابراین، چیزی که ما اکنون قدردانی می کنیم، و می توانیم به صراحت در نسخه گرانش کوانتومی که به خوبی درک می کنیم، بگوییم، این است که اگر دو سیاهچاله به شدت با یکدیگر درگیر شوند، توسط یک کرم چاله در فضا به هم متصل خواهند شد.

آلیس می‌تواند سیاه‌چاله‌اش را داشته باشد، و باب می‌تواند سیاه‌چاله‌اش را داشته باشد، و اگر آنها با یکدیگر درگیر باشند، به این معنی است که آلیس و باب هر دو می‌توانند به سیاه‌چاله‌هایشان بپرند. و سپس آنها می توانند ملاقات کنند، و شاید برای مدتی با هم رابطه داشته باشند، اگرچه آنها مانند رومئو و ژولیت محکوم به ضربه زدن به تکینگی و نابودی هستند. اما می‌توانیم آن را سرگرم‌کننده‌تر کنیم، و اینجاست که تله‌پورت به میان می‌آید.

ما می توانیم یک کرم چاله در فضا، فقط در شرایط مناسب، قابل عبور بسازیم. کرم چاله اصلی که در ابتدا توسط انیشتین و روزن توصیف شد نمونه ای از کرم چاله غیرقابل عبور است. یعنی نمی توانید از یک سر بپرید و از سر دیگر بیرون بیایید. اما چیزی که متوجه شدیم این است که در تئوری کوانتومی ارسال یک پالس انرژی منفی به سیاهچاله امکان پذیر است. هنگامی که شما به طور معمول ماده را به داخل سیاهچاله می فرستید، افق رویداد آن کمی به سمت بیرون حرکت می کند، این پالس انرژی منفی می تواند آن را کمی به سمت داخل حرکت دهد. و این همان چیزی است که ما به آن نیاز داریم تا بتوانیم آلیس کمی یا کیوبیت را در سیاهچاله‌اش پرتاب کند و در انتهای باب بیرون بیاید.

روش دیگری برای توصیف این موضوع وجود دارد، که این واقعاً نوعی از تله‌پورت کوانتومی است.

بنابراین فکر می‌کنم این واقعاً سرگرم‌کننده است، زیرا نشان می‌دهد که شهود گرانشی می‌تواند به ما کمک کند تا رفتار سیستم‌های کوانتومی بسیار پیچیده را درک کنیم که در غیر این صورت بسیار غیر شهودی به نظر می‌رسند.

لوین: این یک چرخش کاملاً شگفت‌انگیز و شگفت‌انگیز است که به عمق کوانتوم بپردازیم، تا بتوانیم پدیده‌های در مقیاس بزرگ، مانند وجود خود سیاه‌چاله‌ها یا بقای آن‌ها را درک کنیم.

و من قصد دارم در یک سوال در مورد تبخیر سیاهچاله‌ها، و اینکه چگونه تله‌پورت کوانتومی می‌تواند برای درک اینکه چگونه، اگر آلیس به درون سیاه‌چاله‌اش بپرد، اطلاعات او در نهایت از بین نرود، مرتبط باشد، و این ممکن است که تله‌پورت کوانتومی از بین برود. راهی برای ما برای بازیابی اتفاقی که برای آلیس پس از پریدن او به سیاهچاله رخ داد.

پیش مهارت: خوب، می‌دانستم وقتی با جانا لوین جمع می‌شوم، در نهایت درباره سیاه‌چاله‌ها صحبت می‌کردیم.

لوین: [خندان] من می توانم هر مکالمه ای را به گفتگو در مورد سیاهچاله ها تبدیل کنم.

پیش مهارت: جای تعجب نیست

در واقع، من فکر می‌کنم آنچه که توضیح دادم به ما بینشی نسبت به فرآیندی می‌دهد که به وسیله آن اطلاعات از سیاهچاله‌ها فرار می‌کنند، که ما معتقدیم اینطور است. قوانین فیزیک اجازه نمی دهند اطلاعات از بین بروند، حتی زمانی که در سیاهچاله ها سقوط می کنند و سیاهچاله ها تبخیر می شوند. فقط به هم ریخته می شود به شکلی که خواندن آن بسیار سخت است. نوعی نقض محلی وجود دارد. این مهمترین یا یکی از اساسی ترین اصول در فیزیک است. ما قبلاً به آن اشاره کردیم - که اطلاعات نمی توانند سریعتر از سرعت نور حرکت کنند.

اما، به نوعی، برای خارج شدن از سیاهچاله، طبق تعریف، اطلاعات سریعتر از نور حرکت می کنند. نور در داخل محبوس است، اطلاعات خارج می شود. و آنچه که نشان می دهد این است که مفهوم علیت - طرز فکر ما معمولاً در مورد آن، اینکه محدودیت سرعتی برای سرعت حرکت اطلاعات وجود دارد - تحت هر شرایطی کاملاً صادق نیست. این اصل قابل نقض است.

و خود فضا-زمان ممکن است واقعاً یک مفهوم اساسی نباشد. بلکه یک ویژگی ظهور برخی از سیستم های کوانتومی پیچیده که در آن چیزها به شدت درگیر هستند.

پس چگونه است که ما در شرایط عادی فکر می‌کنیم که به نظر می‌رسد این مفهوم علیت به شدت برآورده شده است؟ خوب، من فکر می کنم ما برای آن پاسخی داریم، و بسیار جالب است که با محاسبات کوانتومی ارتباط برقرار می کند.

ما فکر می کنیم این است امکان نقض علیت، برای ارسال اطلاعات سریعتر از نور. اما برای انجام این کار نیاز به یک محاسبات کوانتومی از نوع محاسباتی است که ممکن است در یک کامپیوتر کوانتومی انجام دهید، که آنقدر پیچیده و قدرتمند است که ما هرگز در عمل قادر به انجام آن نخواهیم بود.

بنابراین، ما باید بتوانیم فضای بین من در کالیفرنیا و تو، جانا، در نیویورک را از هم جدا کنیم. در اصل ما می توانیم. در عمل، انجام آن بسیار سخت است، به محاسبات بسیار قدرتمندی نیاز دارد که هیچ کس هرگز موفق نخواهد شد.

لوین: قابل توجه. اکنون، جان، شما مدت زیادی از عمر خود را صرف درک برخی از گریزناپذیرترین و چالش برانگیزترین مفاهیم در نظریه کوانتومی کرده اید. چه چیزی در مورد مطالعه فیزیک نظری و دوربری کوانتومی وجود دارد که شما را خوشحال می کند؟

پیش مهارت: خب، من خیلی راحت سرگرم می شوم، بنابراین چیزهای زیادی برایم شادی می آورد. اما هر دو پرسش و پاسخ می تواند یک شادی را به همراه داشته باشد. ایده‌هایی که قبلاً هرگز نشنیده‌اید و متوجه شدید که عمیق و جذاب هستند، می‌توانند باعث شادی شوند. بنابراین وقتی برای اولین بار متوجه شدم که می‌توانیم از نظر تئوری – و فکر می‌کنم در نهایت در عمل – کامپیوترهای کوانتومی بسازیم که آنقدر قدرتمند هستند که بتوانند مسائلی را حل کنند که اگر این دنیای کلاسیک بود، هرگز قادر به حل آنها نبودیم. یکی از شادترین لحظات، مواجه شدن با چنین ایده عمیق و جالبی بود. و فکر کردن به آن در نهایت باعث شد که مسیر تحقیقاتم را تغییر دهم.

لوین: خیلی چیزای قشنگیه ما با جان پرسکیل، فیزیکدان نظری کلتک، درباره ماهیت باورنکردنی و کاربردهای بالقوه تله‌پورت کوانتومی صحبت کرده‌ایم. جان، خیلی ممنون که امروز با ما بودی.

پیش مهارت: خیلی خوش گذشت جانا متشکرم.

لوین: من هم همینطور. صحبت کردن همیشه لذت بخش است. تا به زودی.

[موضوع پخش می شود]

لوین: "لذت چرا" پادکستی از مجله Quanta، یک نشریه مستقل که توسط سرمقاله پشتیبانی می شود بنیاد سیمونز. تصمیمات تامین مالی توسط بنیاد سیمونز هیچ تاثیری بر انتخاب موضوعات، مهمانان یا سایر تصمیمات سرمقاله در این پادکست یا در مجله Quanta.

«لذت چرا» تولید شده توسط PRX Productions. تیم تولید کیتلین فاولدز، لیویا براک، ژنیو اسپانسلر و مریت جیکوب هستند. تهیه کننده اجرایی PRX Productions Jocelyn Gonzales است. مورگان چرچ و ادوین اوچوا کمک های بیشتری ارائه کردند. از جانب مجله Quanta، جان رنی و توماس لین با پشتیبانی مت کارلستروم، ساموئل ولاسکو، نونا گریفین، آرلین سانتانا و مدیسون گلدبرگ، راهنمایی های تحریریه را ارائه کردند.

موسیقی تم ما از APM Music است. جولیان لین نام پادکست را مطرح کرد. هنر قسمت توسط پیتر گرین وود و لوگوی ما توسط جکی کینگ و کریستینا آرمیتاژ است. تشکر ویژه از مدرسه روزنامه نگاری کلمبیا و برت اودوم رید در استودیو پخش کورنل.

من میزبان شما هستم، جانا لوین. اگر سؤال یا نظری در مورد ما دارید، لطفاً به ما ایمیل بزنید [ایمیل محافظت شده]. متشکرم که گوش دادید.