הדרך העקלקלה לטלפורטציה קוונטית

טלפורטציה קוונטית היא תופעה פיזיקלית  שמאפשרת להעביר מידע מוצפן באמצעות עקרונות מכניקת הקוונטים, ולכן יש לה יישומים בתחום התקשורת הקוונטית. מחקר שפורסם בדצמבר 2024 בכתב העת Optica הציג שימוש ראשון מסוגו בטלפורטציה קוונטית על גבי סיב אופטי שעוברת בו גם תקשורת רגילה. מדובר בצעד חשוב לקראת השימוש המעשי בה בתעשייה.

המושג טלפורטציה מעלה בדרך כלל בדמיוננו תופעה מתחום המדע הבדיוני – אנו עשויים לחשוב על אדם צועד לתוך תא שיגור, נעלם ומופיע מיד במקום אחר. ככל הידוע לנו פעולה כזאת אינה אפשרית מבחינה פיזיקלית, בין השאר משום שחומר אינו מסוגל לנוע מהר יותר ממהירות האור. לעומת זאת, הטלפורטציה הקוונטית קיימת במציאות ויש הוכחות רבות לכך. 

זוגיות של חלקיקים

הטלפורטציה הקוונטית מבוססת על תופעה בשם שזירה קוונטית – מצב שבו שני חלקיקים יוצרים יחד יחידה אחת. ליתר דיוק, המצב של כל אחד מהם תלוי במצבו של השני, גם אם הם רחוקים מאוד זה מזה. אם נמדוד את מצבו של חלקיק אחד, נדע מיד גם את המצב של חברו.

לכאורה זה לא עד כדי כך מפתיע: בקנה המידה שבו אנו מסתכלים על העולם המוכר לנו, אנחנו יכולים לקחת שני כדורים – למשל אדום ולבן – ולהניח כל אחד מהם בקופסה אחרת. אחר כך נשלח את הקופסה הראשונה לאליס שנמצאת בלונדון  ואת השנייה לבוב שנמצא בסידני. אם אליס יודעת שצבעי הכדורים שונים, ברגע שהיא תפתח את הקופסה ותראה שקיבלה כדור אדום, היא תדע מיד שהכדור אצל בוב הוא לבן. 

כעת נעביר את אותו עיקרון לעולם הקוונטי, שלא עוסק בכדורים, אלא בקנה המידה הזעיר של החלקיקים שמרכיבים את היקום. לדוגמה לפוטון, שהוא החלקיק שנושא את האור, יש תכונה בשם קיטוב שמייצגת את כיוון השדה החשמלי שלו. הקיטוב יכול להיות אנכי לכיוון התנועה של הפוטון או אופקי לו. כששני פוטונים נמצאים במצב שזור, הקיטובים שלהם נהיים תלויים זה בזה. כלומר אם נמדוד את כיוון הקיטוב של הפוטון הראשון נוכל לדעת בוודאות מהו כיוון הקיטוב של הפוטון השני. באופן רחב יותר, פרט לפוטון יש עוד חלקיקים שיכולים להיות במצבים קוונטיים שונים, בדומה לקיטוב. שזירה בין שני חלקיקים תביא לידי כך ששינוי במצב של חלקיק אחד יביא לשינוי הולם בחלקיק השני, ושהשינוי הזה יקרה באופן מיידי.

תיאור החלקיקים הזה נשמע די פשוט ודומה לתיאור של הכדורים. אך במכניקת הקוונטים הדברים פועלים בצורה משונה. בקנה המידה היומיומי שאנחנו מכירים, צבע הכדורים נשאר קבוע תמיד. אם כדור הוא אדום, לא משנה אם הוא נמצא מחוץ לקופסה או בתוכה. הצבע שלו תמיד יהיה אדום. לעומת זאת, חלקיקים קוונטיים יכולים להימצא במצבי ביניים, שתיאורם המתמטי הוא מעין ממוצע של מצבים מוגדרים. התופעה הזאת מכונה סופרפוזיציה.

דמיינו מטבע שמסתובב מהר על השולחן – כל עוד הוא מסתובב, הוא לא “עץ” ולא “פלי”, אבל אנחנו יכולים לתאר את מצבו לפי הסיכוי שייפול בסופו של דבר על הפאה עם הסמל (עץ) או דווקא על זאת עם המספר (פלי). הסיכוי הזה לא חייב להיות בדיוק 50/50. בפועל הוא תלוי בשלל גורמים, כגון המבנה המדויק של המטבע והאופן המדויק שבו סובבנו אותו. רק כשנעצור אותו הוא יקרוס לאחד המצבים ויישאר בו. אם נחזור שוב ושוב על פעולת הסיבוב באותם תנאים בדיוק, מספר הפעמים שהמטבע ייפול על עץ ופלי ינבע מהסיכויים והסבירויות שהמצב שלו מתאר.

באופן דומה, חלקיק יכול להיות במצב ביניים של שני מצבים מוגדרים היטב של תכונה מסוימת, כגון קיטוב אנכי או אופקי. רק עצם המדידה, כלומר הבדיקה באיזה מצב הוא נמצא,  תחייב אותו לבחור מצב אחד סופי. אם נמדוד את הקיטוב של הפוטון ונמצא שהוא אנכי, זה לא אומר שהוא היה אנכי כל הזמן. הוא היה במצב ביניים, לא אופקי ולא אנכי אלא מצב שמגדיר מה הסיכוי שיקרוס למצב אופקי או אנכי ברגע המדידה. רק המדידה עצמה קיבעה אותו במצב האנכי.

הצפנה על ידי שזירה 

שני העקרונות הללו, השזירה הקוונטית והסופרפוזיציה, מאפשרים להעביר מידע מוצפן באמצעות תהליך של טלפורטציה קוונטית. נניח שאליס רוצה להעביר לבוב מידע מסוים. בתקשורת דיגיטלית רגילה, כמו זאת שמתקיימת בין הטלפונים שלנו, המידע בין אליס לבוב יעבור בתור רצף של ביטים – יחידות מידע בסיסיות שיכולות להיות 0 או 1. לעומת זאת, תקשורת קוונטית מבוססת על קיוביטים, יחידות מידע קוונטיות שנישאות למשל על ידי פוטונים או אלקטרונים. היחידות האלה יכולות להימצא בסופרפוזיציה – להיות במצב 0 ו-1 בעת ובעונה אחת.

המתכון לטלפורטציה הוא כזה: אליס רוצה להעביר לבוב מצב קיוביט מסוים. לשם כך השניים חולקים מראש זוג קיוביטים שזורים, שאחד מהם נמצא אצל אליס והשני אצל בוב. כשאליס מודדת את מצב הקיוביטים שנמצאים ברשותה היא מביאה לקריסתם למצב יציב אחד. בו-זמנית המדידה משפיעה גם על מצב הקיוביט שנמצא אצל בוב. זהו הרגע שבו מתרחשת הטלפורטציה. כיוון שהקיוביט של אליס ובוב היו שזורים, המצב הקוונטי (המידע) שהיה אצל אליס עבר לקיוביט של בוב בלי שהחלקיק עצמו שינה את מקומו. עם זאת, המידע עדיין נעול. כדי לפענח אותו אליס צריכה לשלוח לבוב את תוצאות המדידה שלה בהודעה רגילה, כלומר בתקשורת ביטים שגרתית. בוב, מצידו, ישתמש בתוצאות האלה כמעין מפתח שבאמצעותו הוא יפתח את הקיוביט שבידו ויקבל העתק מושלם של המידע המקורי.

השיטה הזאת אמורה ליצור אבטחה מושלמת: מי שירצה לצותת להם אולי יצליח ליירט את המפתח – ההודעה שאליס שלחה –, אבל לא יהיה לו המנעול המתאים, שהוא החלקיק השזור שנמצא בידי בוב. בניגוד לתקשורת רגילה, שבה המידע עצמו עובר בקו ומי שיודע את הצופן יכול לפרוץ אותו, כאן המידע עצמו לא עבר מעולם בקו התקשורת.

אחד האתגרים בשיטת ההצפנה הזאת היא לוודא שלאליס ולבוב אכן יהיה זוג חלקיקים שזורים. בדרך כלל אחד הצדדים לתקשורת, למשל בוב, ישזור שני קיוביטים וישלח אחד מהם לצד השני – אליס, על מנת שהיא תוכל לבצע את המדידה כפי שתיארנו קודם.

האתגר גדל אף יותר אם אליס ובוב נמצאים במקומות רחוקים, כפי שקורה בדרך כלל ברשת תקשורת אמיתית. למשל האות עלול לדעוך במהלך הדרך. לכן בניסויים רבים משתמשים בגורם שלישי, מתווך. הבה נקרא לו צ’רלי. תפקידו של צ’רלי הוא לקבל אחד מהקיוביטים השזורים של בוב וגם את הקיוביט השזור לזה שאליס רוצה להעביר. הוא יבצע את המדידה אצלו, וישלח את המפתח לבוב. צ’רלי עצמו לא יוכל לפצח את המסר של אליס באמצעות המפתח, כי המנעול השני נמצא עדיין אצל בוב.

תקשורת קוונטית בתשתית דיגיטלית

בעבר כבר נעשו ניסויים על בסיס העקרונות האלה. כבר ב-1997 הוכח שהטכנולוגיה התיאורטית הזאת היא מעשית. אך גם הניסוי הזה וגם כל אלה שנעשו אחריו, התבצעו בתנאי מעבדה, כמעט בלי הפרעות חיצוניות. במציאות, ברור שאף אחד לא ירצה לבנות מחדש את כל תשתית האינטרנט רק כדי לאפשר הצפנה קוונטית נטולת הפרעות. לכן התקשורת הקוונטית תצטרך לעבור בתשתית תקשורת קיימת. האתגר במצב הזה, כמובן הרבה יותר גדול, כיוון שבקווי התקשורת יש תעבורה סואנת של פוטונים אחרים. התוצאה היא הרבה מאוד רעש, שיוצר קושי רב בזיהוי הפוטון המוצפן.

זה המקום שאליו נכנס הניסוי החדש שערכו חוקרים מאוניברסיטת נורת’ווסטרן בארצות הברית, בשיתוף עובדים מחברות התקשורת וההצפנה Ciena ו-NuCrypt. הניסוי נועד להעביר תקשורת קוונטית מאליס אל בוב לאורך מקטע מבוקר של סיב אופטי פעיל שאורכו 30 קילומטר, בזמן שעוברת בו גם תעבורת אינטרנט רגילה. בדיוק באמצע הדרך בין אליס לבוב הוצבה תחנת התיווך של צ’רלי. הפוטונים של אליס ובוב נוצרו במערכת אופטית שמורכבת מלייזר, גביש ליתיום-ניובייט ורכיבים אופטיים נוספים. כשפוטון מהלייזר פוגע בגביש הוא מתפצל לשני פוטונים שהאנרגיה שלהם נמוכה יותר. כך נוצר זוג פוטונים שיכולים להיות שזורים קוונטית. 

כדי לצמצם למינימום את ההפרעות הנובעות מתעבורת התקשורת הרגילה שחולפת בסיב שילבו החוקרים כמה טכניקות. בין השאר הם השתמשו בפוטונים שאורך הגל שלהם שונה מאורך הגל הטיפוסי של תעבורת הרשת. בנוסף הם השתמשו במגוון מסננים שנועדו לצמצם את הרעש. במהלך הניסוי, הצד של אליס ניסה לשדר לצד של בוב פוטונים במגוון מצבים, ובכל אחד מהם מדדו החוקרים כמה מהפוטונים אצל בוב התאימו לאות ששידרה אליס. מידת ההתאמה הממוצעת עלתה על תשעים אחוז, כך שאפשר לומר שהמידע עבר בהצלחה.

לאן ממשיכים מכאן? ברור שהודעות הווטסאפ שלנו לא עומדות לעבור הצפנה קוונטית בקרוב, אך לעורכי הניסוי כבר יש תוכניות ליום שאחרי. ראשית, הם שואפים לשלוח ביחד שני זוגות של פוטונים שזורים, כלומר ארבעה פוטונים בסך הכול, וגם לשזור יחד שני פוטונים זרים במקום להשתמש בשניים שנוצרו ביחד, כפי שנעשה בניסוי הנוכחי. בשלב הבא הם ינסו לחזור על הניסוי בתשתית אינטרנט אמיתית. הצלחה בזה כבר תקרב אותנו מאוד ליישום החזון של השזירה הקוונטית בתקשורת יומיומית.