האם בקרוב נוכל לשגר בני אדם ממקום למקום? לא. אבל הטלפורטציה הקוונטית כבר מחוללת מהפכה בתחום התקשורת והצפנת המידע, ומבשרת את התקרבותו של עידן המיחשוב הקוונטי

אלי לוי הוא סוכן חשאי הפועל בלב סוריה. במשך שנים הוא העביר לישראל ידיעות הרות גורל מדמשק. אך לאחרונה הוא חש שהאדמה תחת רגליו מתחילה לרעוד, כשהסורים רכשו מערכות איכון מתוחכמות וכמעט הצליחו לפרוץ את ערוצי התקשורת המוצפנים שלו. בלית ברירה החליטו הוא ומפעיליו לנסות שיטה חדשה.

וכך הוא מצא את עצמו נכנס באחד הימים לחנות "מפתחות הקסמים" בפאתי וינה. בחנות התמימה למראה יש רבבות מפתחות המסודרים זוגות-זוגות וממוספרים בסדר מופתי. הוא מבקש מהמוכר שיתן לו מפתחות.

"אילו מפתחות?" שואל המוכר.

"2,000-1,000", עונה המרגל.

"את כל הזוגות?" שואל המוכר.

"רק אחד מכל זוג", משיב לוי.

המוכר מופתע מעט, אבל הלקוח תמיד צודק. הוא מוסר ללוי את הסחורה ומכניס את הכסף לקופה הרושמת. דקות ספורות לאחר מכן נכנס לחנות גבר לבוש מקטורן. "אשמח למפתחות 2,000-1,000 בבקשה", הוא אומר.

"נותר לי רק אחד מכל זוג", עונה המוכר.

"זה בדיוק מה שאני צריך".

ימים ספורים אחרי הביקור בחנות תולה לוי מודעה בכיכר המרכזית של דמשק ומודיע בה בריש גלי, "בכיכר המרכזית של וינה תונח תיבה, ובה דיווחים על תנועות הצבא הסורי ומערכות הנשק שלו. כדי לפתוח את התיבה עליכם להשתמש במפתחות 2,000-1,000 מחנות "מפתחות הקסמים" בווינה, כל יום השתמשו במפתח הבא בתור ובכיוון מתאים לחץ המצויר על התיבה".

שירותי הביון הסורי לא האמינו למראה עיניהם. הם אצו לחנות הווינאית וביקשו מהמוכר לשכפל עבורם את מפתחות 2,000-1,000. "ודאי יש לך תכנון של המפתחות הללו, ותוכל לתכנן עבורנו מפתחות חדשים. מדובר בבטחון מדינתנו", הפצירו במוכר.

"הבינו", הסביר להם, "כל זוג מפתחות אצלי בחנות זהה לחלוטין וייחודי, ואי אפשר לייצר מפתח זהה לזוגות שמכרתי גם אם התכנון המדויק שלו נמצא ברשותי. נדרש מפתח מהזוג המקורי כדי לשכפל אותו. בנוסף, גם לו היה לי מפתח שנראה זהה, הוא כנראה לא היה עוזר לכם. הסוכן שאתם מחפשים יכול לייצר מפתח ייחודי משלו. לאחר מכן, מספיק שיצמיד את המפתח החדש שלו לאחד המפתחות שקנה ממני. באמצעות כלי מדידה פשוטים המפתח התואם שנמצא בידי "המוסד" הישראלי, שמעולם לא בא במגע עם המפתח של הסוכן, יהפוך בן רגע למפתח הייחודי. פשוט אין לי דרך לעזור לכם".

לשכפל את מפתחות הקסמים באמצעות שזירה קוונטית | איור: HARALD RITSCH / SCIENCE PHOTO LIBRARY
לשכפל את מפתחות הקסמים באמצעות שזירה קוונטית | איור: HARALD RITSCH / SCIENCE PHOTO LIBRARY

המציאות המשונה של מכניקת הקוונטים

הסיפור הבדיוני על המרגל אמנם אינו קשור לשיטות התקשורת האמיתיות של מרגלים בימינו. עם זאת, זה תיאור לא רע של האופן המפתיע שבו פועלת טלפורטציה קוונטית. השם טלפורטציה עשוי להטעות במעט - במציאות איננו יכולים לבצע טלפורטציה, כלומר להעתיק את עצמנו בן רגע ממקום למקום. עם זאת, מכניקת הקוונטים פותחת צוהר לתופעה דומה ולא פחות מפתיעה.

בתורת הקוונטים, כל עצם מתואר על ידי המצב שלו (מכונה גם פונקציית גל) שמכיל את כל מה שאנחנו יודעים עליו - מהירות, מיקום, אנרגיה עצמית ועוד. בשונה מהמציאות המוכרת לנו, ישות קוונטית יכולה להימצא בכמה מצבים במקביל, מצב בשם סוּפֶּרְפּוֹזִיצְיָה. שזירה קוונטית מתרחשת כאשר שני עצמים מקיימים ביניהם יחסי גומלין כלשהם ונוצרת ביניהם תלות שבה מצבו של האחד תלוי במצבו של השני. עצמים שזורים מצויים במצב משותף שלא ניתן לפירוק של שני מצבים עצמאיים. למשל, אפשר לקחת שני אלקטרונים, וכאשר הם ימצאו זה בקרבת זה, הם יפעילו כוח דחייה הדדי ביניהם. הכוח הזה, בשילוב עם הפרעות מהסביבה יגרום לכך שתיווצר תלות בין האלקטרונים ומדידת מיקומו של האחד תשפיע על מיקומו של האלקטרון הנוסף, גם אם הוא יהיה במרחק אלפי קילומטרים משם. לאחר המדידה, שני האלקטרונים כבר לא יהיו בסופרפוזיציה של מיקומים שונים בעת ובעונה אחת אלא "יקרסו" למיקום ספציפי. 

אנלוגיה נוספת וידועה למצב דומה בחיים האמיתיים אפשר למצוא בניסוי המחשבתי המכונה החתול של שרדינגר. דמיינו קופסה ובה חתול וכמוסת גז רעיל – יש הסתברות מסוימת שהכמוסה נשברה והחתול מת והסתברות מסוימת שהיא נותרה שלמה והחתול חי. במציאות, אם נמדוד את מצב הרעל נוכל לדעת מיד מה מצב החתול – חי או מת, שכן אחד המצבים מתקיים והשני לא, אבל כל עוד הקופסה סגורה אנחנו פשוט לא יודעים מה התשובה. לעומת זאת, במכניקת הקוונטים, שני המצבים מתקיימים יחד בכפיפה אחת, או סוּפֶּרְפּוֹזִיצְיָה. במקרה הזה הסופרפוזיציה היא במצב משותף של שני עצמים – החתול והכמוסה –  והיא מתארת שזירה בין מצב חייו של החתול למצב הרעל. רק כשמודדים את המצב הקוונטי, הסופרפוזיציה "קורסת" לאחד מהמצבים שמרכיבים אותה – המצב שמדדנו. כך קורה שלפי תורת הקוונטים, ברגע שפתחנו את הקופסה (מדדנו את המצב בתוכה) החתול יהיה או חי בצירוף עם כמוסה שלמה או מת יחד עם כמוסה שבורה, אבל כל עוד היא סגורה יש לנו סופרפוזיציה: החתול חי והכמוסה שלמה וגם החתול מת והכמוסה שבורה.

ניסוי "החתול של שרדינגר" מדגים סופרפוזיציה ושזירה קוונטית | איור: MEHAU KULYK / SCIENCE PHOTO LIBRARY
חי ומת בעת ובעונה אחת. ניסוי "החתול של שרדינגר" מדגים סופרפוזיציה ושזירה קוונטית | איור: MEHAU KULYK / SCIENCE PHOTO LIBRARY

טלפורטציה קוונטית

ננסה לחזור לסיפור הריגול ודרכו להסביר את תופעת הטלפורטציה הקוונטית. נניח שכל זוג מפתחות ב"מפתחות הקסמים" הוא שזור – כלומר, בפשטות, מצבו של האחד תלוי במצבו של השני. כעת אלי רוצה להשתמש בתכונה הזו כדי להעביר את המצב של המפתח המיוחד שלו לישראל.

לשם כך, הוא שוזר בין המפתח שלו למפתח הקסמים, על ידי כך שהוא שם אותם זה ליד זה  ובאמצעות פעולת גומלין ביניהם הם נשזרים. כעת המפתח המיוחד שזור ל"מפתח הקסמים" שברשותו, ששזור בעצמו ל"מפתח הקסמים" בישראל. לפיכך, כל פעולה על המפתח של אלי בסוריה תשפיע על מצב המפתח מ"מפתחות הקסמים" בישראל.

בשלב זה מבצעים מדידה ייחודית של המצב היחסי בין המפתחות שאצל אלי – מדידה הנקראת 'מדידת בל' (Bell Measurement). נדגיש כי אלי לא מודד את מצב המפתח המיוחד באופן ישיר, שכן בכך תיהרס הסופרפוזיציה הייחודית שלו – אותו מצב מורכב שאנו מעוניינים להעביר למפתח בישראל. לאחר המדידה הייחודית, המצב המשותף של צמד המפתחות בסוריה יקרוס לאחד מארבעה מצבים אפשריים – כל אחד מהם מתאים למצב ייחודי של המפתח בישראל.

באופן מפתיע, המצבים האפשריים שאליהם יכול לקרוס המפתח בישראל, דומים מאוד למצבו המקורי של המפתח המיוחד של אלי, ואחד מהם אפילו זהה לו. כדי לשנות את המצב של המפתח בישראל כך שיהיה זהה בדיוק לזה של המפתח של אלי, יש לבצע עליו פעולה מסויימת. לשם כך צריך המרגל ליצור קשר עם מפעיליו ולומר להם מה הפעולה הנדרשת בהתאם לתוצאת המדידה שלו.

את המידע הזה הוא יכול לפרסם ברבים. המידע על הפעולה הנדרשת לא יעזור כלל למי שאינו מחזיק במפתח השזור למפתח שבו השתמש אלי. רק אם המפתח שברשות הצד השני שזור למפתח של אלי, הפעולה הסופית תוביל לתוצאה הרצויה – שכפול המפתח הייחודי שאצל אלי.

 ניסוי בשזירה קוונטית של פוטונים באוניברסיטת וינה | צילום: VOLKER STEGER / SCIENCE PHOTO LIBRARY
כך זה נראה בפועל. ניסוי בשזירה קוונטית של פוטונים באוניברסיטת וינה | צילום: VOLKER STEGER / SCIENCE PHOTO LIBRARY

בנקודה זו כדאי להתייחס לתופעה שהדירה שינה מעיניהם של פיזיקאים רבים. העברת המצב בין המפתחות נעשית בן רגע. אך לפי תורת היחסות שפיתח אלברט איינשטיין, שום חלקיק או תופעה בעולם לא יכולים לנוע מהר יותר ממהירות האור. העברת המצב ב"זמן אפס" מנוגדת לחלוטין לעיקרון בסיסי זה. איינשטיין אף התייחס לתופעה זו כסיבה לחשוב שתורת הקוונטים אינה שלמה, וקבע במאמר ב-1935 כי יש לצרף לה "משתנים חבויים" כדי לפתור את הפרדוקס. ב-1964, ג'ון בל (שעל שמו קרויה מדידת בל) הפריך את תאוריית ה"משתנים החבויים" של איינשטיין ועורר את הפולמוס לחיים. 

עם זאת, בטלפורטציה קוונטית אנו לא מתעמתים עם הפרדוקס. כדי להשלים את פעולת הטלפורטציה, יש כאמור ליצור קשר בין שני הצדדים שמבצעים אותה. התקשורת מבוצעת באמצעי תקשורת רגיל – טלפון, מייל או כל אמצעי תקשורת אחר – ומהירותה מוגבלת על ידי מהירות האור. לכן, העברת המידע כולה לא יכולה להתבצע במהירות גבוהה ממהירות האור.

פוטונים שזורים קוונטית | איור: LAGUNA DESIGN / SCIENCE PHOTO LIBRARY
מצב של חלקיק אחד תלוי במצבו של החלקיק האחר. פוטונים שזורים קוונטית | איור: LAGUNA DESIGN / SCIENCE PHOTO LIBRARY

אל תשגר אותי, סקוטי

מה אפשר בפועל לעשות עם התופעה הזאת?

כאשר מנסים לדמיין עתיד שבו נוכל לשגר יצורים חיים ממקום למקום אנו נתקלים במספר בעיות משמעותיות. ראשית, בטלפורטציה איננו מעבירים שום חומר ממקום למקום, אלא מעתיקים את המצב שלו. האם אפשר להעתיק יצור בעל תודעה באותה צורה? זו כבר שאלה פילוסופית שיוצאת מגבולות המחקר הפיזיקלי. אבל הרבה לפני השאלה הפילוסופית, יש גורמים רבים המגבילים מימוש של תופעות קוונטיות על עצמים גדולים שאנו נתקלים בהם בחיי היומיום. בין היתר, עצמים אלו נמצאים באינטראקציה גדולה לאין שיעור עם הסביבה ש"מודדת אותם" ולכן בלתי אפשרי כמעט לייצר ניסוי מבוקר שבו אנו שולטים מתי הם נמדדים ומתי לא. 

מעבר לכך, התעמקות בתיאור הקוונטי של עצמים מחיי היומיום שלנו תראה כי ההסתברות לכך שהם יפגינו תופעה כמו סופרפוזיציה של המיקום שלהם, כלומר, היותם בכמה מקומות בעת ובעונה אחת, היא אפסית, בגלל המורכבות הרבה של עצם גדול, בעל מספר עצום של חלקיקים ופונקציות-גל. 

אז שיגור של יצורים חיים לא. מה כן? אחד השימושים החשובים ביותר של התופעה הזאת הוא הצפנה קוונטית. נניח שמצב החתול מהדוגמה קודם היה בסך הכל יחידת מידע, שהיינו רוצים להגן עליה מפני דליפה לגורמים זרים. בתקשורת הקלאסית אנחנו חייבים להעביר את יחידת המידע בתווך כלשהו, וגם אם נצפין את המידע או נגן על התווך – אנחנו חשופים לאפשרות שמישהו ישיג את המידע דרך התווך וימצא דרך להסיר את ההצפנה ולפענח את המסר שהעברנו.

לעומת זאת, טלפורטציה קוונטית מאפשרת לנו לא לשלוח את המידע, אלא רק לחשוף את הפעולה שיש לבצע כדי להשיג אותו. זאת, רק בהנחה שיש לצד השני את אחד משני האובייקטים השזורים כדי שיוכל לשחזר את המידע. נדגיש, ללא החזקת אובייקט שזור לאובייקט שברשותי אין אפשרות לשחזר את המידע. מדובר בשיטת הצפנה מסוג אחר לגמרי, בעלת פוטנציאל משמעותי ביותר.

למעשה, טלפורטציה קוונטית היא אבן יסוד בתחום המחשוב הקוונטי. תחום זה מציג התקדמות ממשית להחלפת המחשבים המוכרים במחשבים קוונטיים, שכנראה יאפשרו להפחית לאין שיעור את כוח החישוב הנדרש לביצוע חישובים מסויימים. טלפורטציה קוונטית, עשויה לאפשר בצורה יעילה את התקשורת בין המחשבים הללו.

מלכודת יונים המשמשת בחישובים קוונטייים | צילום: Y. COLOMBE / NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY / SCIENCE PHOTO LIBRARY
צעד חשוב בדרך למהפכת מיחשוב. מלכודת יונים המשמשת בחישובים קוונטייים | צילום: Y. COLOMBE / NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY / SCIENCE PHOTO LIBRARY

האם טלפורטציה קוונטית ניתנת ליישום במציאות?

חוקרים הדגימו טלפורטציה קוונטית כבר לפני כ-23 שנה, באמצעות העברת מצב אחת מתכונותיו של חלקיק אור, פוֹטוֹן – הקיטוב שלו – לפוטון מרוחק שלא היה עימו באינטראקציה ישירה. בשנים שעברו מאז, חוקרים מכל רחבי העולם ביצעו בהצלחה טלפורטציה קוונטית בין פוטונים, אטומים ואף בין מעגלי על-מוליכים למרחק של קילומטרים אחדים. ב-2017, התקיימה שיחת וידאו היסטורית בין נשיא האקדמיה הסינית למדעים לעמיתו מאוסטריה. השיחה הייתה מוצפנת בתקשורת לוויין מוצפנת, ומפתחות ההצפנה הועברו בטלפורטציה קוונטית דרך תווך לווייני, כאשר הפוטונים השזורים נשלחו למרחק בלתי-נתפס, כ-1,400 ק"מ. זו הייתה הדגמה תקדימית לשימוש בטלפורטציה קוונטית לצורך הצפנה.

הצפנה קוונטית של תקשורת לוויינית למרחק ניכר, בין הלוויין לתחנות הקרקע | איור: University of Science and Technology of China
הצפנה קוונטית של תקשורת לוויינית למרחק ניכר, בין הלוויין לתחנות הקרקע | איור: University of Science and Technology of China

טלפורטציה קוונטית, שבעבר הלא רחוק נראתה אולי כמדע בדיוני, ממומשת כיום בדרכים שונות ונראה כי בעתיד היא תהיה אבן יסוד בתקשורת בין מחשבים קוונטיים. בכך, היא תספק עוד דוגמה לתופעות המופלאות של העולם הקוונטי, שלעיתים קשה לתפוס אותן במלואן, אך הן חלק בלתי נפרד מחיי היומיום שלנו.

 

סרטון של minute physics המסביר את עקרונות הטלפורטציה בכ-14 דקות (באנגלית): 

 

4 תגובות

  • אסף שינפלד

    הי אייל, מתנצל על האיחור

    הי אייל, מתנצל על האיחור בתגובה.
    אינני מומחה לנושא של חורים שחורים, אך למיטב הבנתי חלק מהפתרונות שמנסים לתת כיום לפרדוקס המידע קשורים לשזירה של קרינת הוקינג לחור השחור באמצעות אותם חלקיקים שנבלעו בחור השחור. עם זאת, גם לכך שהחלקיקים נושאים מידע מתנגשת עם התוצאה הקלאסית של ה"no hair theorem" לפיה מחוץ לחור השחור ניתן למדוד רק את מסת החור השחור, התנע הזוויתי שלו והמטען החשמלי. למעשה, ההבנה הראשונה של קרינת הוקינג הייתה שהיא לא מכילה מידע כלל וזה היה המקור לפרדוקס המידע. בקיצור, מדובר בנושא שדורש העמקה וקשה להתייחס אליו בכמה משפטים. בהקשר לשאלך אני ממליץ לך לעיין בדפים הבעים:
    https://www.theatlantic.com/science/archive/2020/02/key-quantum-teleport... https://en.wikipedia.org/wiki/Firewall_(physics) https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole_information_paradox מקווה שעזרתי במעט,
    אסף

  • אייל מיינור

    חורים שחורים וטלפורטציה קוונטית

    העיקרון של הטלפורטציה קוונטית לא יכול לפתור את בעית המידע של חורים שחורים ? זוג חלקיקים וירטואלים שנוצרים בריק שזורים ביחד אחד נופל לאופק האירועים ונישזר עם המידע שבתוך החור שחור וכאשר בודקים את החלקיק שיצא ( קרינת הוקינג) בודקים בעצם את המידע שנכנס ויצא מהחור שחור ...?( זה מחשבה שהייתה לי הרבה זמן ולא מצאתי על זה מידע) תודה

  • צבי

    טלפורטציה קוונטית של חומר

    תודה על הכתבה המעניינת.
    התייחסת לשאלת טלפורטציה ביצורים חיים. מה עם חומרים שאינם חיים? האם תיתכן טלפורטציה של חומרים ממקום למקום?
    נוסף על כך, על פי המובן לי מתורת היחסות הפרטית אנרגיה שקולה למסה, היינו חומר. אז אם טלפורטציה של מצב קוונטי (אנרגיה) אפשרית, מדוע שלא כך יהיה הדבר גם בנוגע לטלפורטציה של חומר?
    מתנצל מראש אם דבריי אינם מדויקים.
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןמאיה קאהן

    הי צבי,

    שאלתך מעולה וחשובה. על פי הידוע לנו כיום, טלפוטרציה אינה אפשרית, ואין זה משנה אם מדובר בחומר "חי" או "דומם". גם הטלפורטציה שמתוארת בכתבה אינה באמת העברה של חומר ממקום למקום אלא העברה של מידע. נכון להעיר, שבעת העברת המידע לבניית המצב המועתק, נהרס המצב של החומר שהעתיקו ממנו, ולכן יש פה איזשהו דמיון לטלפורטציה, אבל שוב, החומר עצמו איננו מועתק לשום מקום.

    בנוגע לחלק השני של שאלתך, מצב קוונטי אינו מקביל לאנרגיה. ניתן לייחס אנרגיה למצבים קוונטיים מסויימים אך המצבים הקוונטים לא שקולים לאנרגיה. לכן איננו מבצעים טלפורטציה של אנרגיה, וגם לא של חומר.

    בנוסף, כמו שתיארתי בכתבה, בצבר גדול של אטומים ואלקטרונים, שזה החומרים שאנחנו נתקלים בהם בחיינו האמיתיים התופעות הקוונטיות נהיות זניחות לחלוטין, בגלל סיבות שונות (מדידת החומר על ידי הסביבה, חוסר "סנכרון" בין האטומים, טשטוש התופעות הגליות בעקבות אורך גל קצר יותר של עצמים מסיביים ועוד). לכן, השימוש במצבים קוונטיים של עצמים כאלו הוא חסר ערך - אין הסתברויות למיקומים שונים, אין סופר פוזיציה ואין אפשרות לבצע את הטלפורטציה כפי שתיארתי בכתבה.

    אם יש לך עוד שאלות אשמח לענות:)

    אסף