მოკლე შესავალი
ნანოტექნოლოგიებმა უკვე მედგრად მოიკიდეს ფეხი მეცნიერებასა და ყოფაცხოვრებაშიც, თუმცა ადამიანი მიღწეულით არასდროს კმაყოფილდება და ყოველთვის სიახლის ძიებაშია, ნანომეტრებში (10-9მ) აღიწერება მოლეკულები, ატომები და მათი "სამყარო" სადაც ხშირად არ მოქმედებს ნიუტონის კანონები, აქ საქმე უკვე არა ნიუტონის, არამედ ე.წ. "კვანტურ მექანიკასთან" გვაქვს.
კვანტური მექანიკის აქტიური შესწავლა დაიწყო გასული საუკუნის პირველ ნახევარში და პირველი ყველაზე დიდი მიღწევა იყო 1926 წელს გენიალური ფიზიკოსის და მათემატიკოსის ერვინ შრედინგერის(Erwin Schrödinger) განტოლება, რომელიც აღწერდა ფიზიკური სისტემის ქვანტური მდგომარეობის ცვლილებას დროში:
(ეს განტოლების გამარტივებული ვარიანტია)
ერთი შეხედვით, რთული არაფერია, თუმცა მეცნიერმა განაცხადა, რომ რომ მცოდნოდა თუ რა რთულ საქმეს ვკიდებდი ხელს არც კი დავიწყებდიო (და მაშინ ცუდად იქნებოდა ჩვენი საქმე). განტოლების გამოყვანას მან 2 წელი შეალია, თან გაიხსენეთ იმ დროს ყველაზე სრულყოფილი გამომთვლელი მანქანა არითმომეტრი იყო....
მიუხედავად ამ განტოლების უნიკალურიბისა, ის ამოხსნადია მხოლოდ წყალბადის ატომის (პირველი და ყველაზე მარტივი ელემენტი პერიოდულ სისტემაში) შემთხვევაში, ყველა დანარჩენი ატომებისთვის თუ მოლეკულებისთვის არსებობს ე.წ "მიახლოებები", რომელთა სრულყოფაზეც ახლაც იმტვრევენ თავს ფიზიკოსები და მათემატიკოსები.
ეს მაგალითი იმიტომ მოვიყვანე, რომ გავიაზროთ თუ რამდენად რთული და განსხვავებულია კვანტური სისტემა "ჩვეულებრივი" ფიზიკური სისტემისაგან, სადაც ყველაფერი ნიუტონის კანონებს ემორჩილება
Quantum Entanglement
ერთ-ერთი მრავალი უაღრესად საინტერესო და ჯერ კიდევ ამოუცნობ კვანტურ მოვლენებს შორის არის ე.წ "ქვანტური შეჭიდულობა" (Quantum Entanglement), რომლის ფორმულირებაც ასე შეიძლება:
ქვანტური შეჭიდულობა შეიძლება გამოვლინდეს, როდესაც ნაწილაკები, როგორებიცაა ფოტონები, ატომები, მოლეკულები და ალმასის პატარა კრისტალებიც კი ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან ფიზიკურად, რის შემდეგაც მოხდება მათი დაცილება. მოვლენა ვლინდება იმ მხრივ, რომ ურთიერთმოქმედი წყვილის ყოფილი წევრი იმეორებს მეორის ქვანტურ მდგომარეობას (პოზიცია, მომენტი, სპინი, პოლარიზაცია, მუხტი) , და ერთ-ერთი ნაწილაკის რომელიმე პარამეტრის ცვლილება მყისეულად იწვევს მეორე ნაწილაკის შესაბამისი პარამეტრის ცვლილებას, მიუხედავად იმისა, რომ მათ არ აქვთ ფიზიკური ურთიერთქმედება.
განვიხილოთ ფოტონების (ექსპერიმენტისთვის იყენებენ პოლარიზებულ ლაზერის სინათლეს) მაგალითზე:
როდესაც სინათლის სხივი გაივლის მატერიაში (ფიზიკურ სხეულში), ის შთაინთქმება ელექტრონის მიერ,რის შედეგადაც ის გადადის ე.წ აღგზნებულ მდგომარეობაში ჭარბი ენერგიის გამო. რამდენიმე მილიწამის შემდეგ ელექტრონი ბრუნდება საწყის მდგომარეობაში და სპონტანურად ასხივებს ფოტონს. ზოგიერთი კრისტალური სტრუქტურა ზრდის იმის ალბათობას, რომ ელექტრონმა გამოასხივოს არა ერთი, არამედ ორი ფოტონი, რომლებსაც ექნებათ უფრო გრძელი ტალღის სიგრძე (შესაბამისად დაბალი სიხშირე და ენერგია), ვიდრე შთანთქმულ ფოტონს. მიღებული "შვილეული" ფოტონების ენერგიების ჯამი ტოლია შთანთქმული ფოტონის ენერგიისა (ენერგიის გარდაქმნის და მუდმივობის კანონი)
როდესაც ერთი შთანთქმული ფოტონიდან მიიღება ორი გამოსხივებული ფოტონი, მიიჩნევა, რომ ისინი არიან შეჭიდულნი
ჩვეულებრივ, შეჭიდული ფოტონები გამოდიან კრისტალიდან ისე, რომ ერთ-ერთი მათგანი ჰორიზონტალურად პოლარიზებული სინათლის სხივის სახითაა, ხოლო მორე ვერტიკალურად პოლარიზებული სინათლის სხივის სახით. (ეს არ ნიშნავს, რომ თვითონ სინათლის სხივს აქვს ჰორიზონტალური ან ვერტიკალური მიმართულება)
ექსპერიმენტი ისე შეიძლება ჩატარდეს, რომ მოხდეს ჰორიზონტალურად და ვერტიკალურად პოლარიზებული კონების ზედდება. იმისდა მიუხედავად, რომ ინდივიდუალური ფოტონების პოლარიზაცია უცნობია,და შეუძლებელია მისი წინასწარ გამოცნობა, ქვანტური მექანიკის ბუნება წინასწარმეტყველებს, რომ ისინი განსხვავებულია.
ილუსტრაციისთვის, როდესაც ეს კონა შეხვდება ვერტიკალური პოლარიზაციის ფილტრს, ფოტონი მასში გაივლის, ან ვერ გაივლის იმისდა მიხედვით თუ როგორია მისი პოლარიზაცია,თუკი გაივლის, მაშინ მისი შეჭიდული პარტნიორი ვერ გაივლის, რადგანაც მყისეულად რაც ცნობილი გახდება პირველი ფოტონის პოლარიზაცია, მეორე მიიღებს მის საწინააღმდეგო პოლარიზაციას. ზუსტად ეს მყისიერი კომუნიკაცია და პოლარიზაციიც "შეტყობინება" უდევს საფუძვლად ფოტონურ შეჯაჭვულობას, რომელსაც აინშტაინიც კი თეორიულადაც არასარწმუნოდ თვლიდა.
თუმცა თვით აინშტაინიც შეიძლება ცდებოდეს, ყოველ შემთხვევაში ამაზე მიუთითებს ექსპერიმენტის შედეგი: შეჭიდულ ფოტონებს აქვთ მყისიერი! კომუნიკაცია:
ექსპერიმენტი:
1. ულტრაიისფერი ლაზერი სინათლის კონას აგზავნის ბეტა ბარიუმის ბორატის კრისტალში (beta-BaB2O4)
2. ფოტონის კრისტალში გავლისას არსებობს შანსი იმისა, რომ ის "გაორდება"
3. თუკი გაორდა, ფოტონი გამოვა კრისტალიდან როგორც ორი ფოტონი
4. მიღებული ფოტონური წყვილი ქვანტურად შეჯაჭვულია
შედეგად ვიღებთ შეჯაჭვული ფოტონების სურათს:
ატომების შემთხვევაში, თუკი სხვადასხვა მუხტის მქონე ერთი და იგივე ელემენტის ატომებს აქვთ ფიზიკური კავშირი, შესაძლოა მათ შორის წარმოიშვას ქვანტური შეჭიდულობა, თუკი შეჭიდულობა წარმოიშვა, მათი დაცილების შემდეგ თუ ერთ-ერთი მათგანის მუხტს შევცვლით გარე ძალების ზემოქმედებით, მეორე მათგანის მუხტი შეიცვლება მყისეულად ყოველგვარი გარე ზემოქმედების გარეშე
მსგავსი ექსპერიმენტებისას, შეჭიდულობა დაფიქსირებულია დაახლოებით ყოველი მილიარდიდან ერთ წყვილზე.
ამ შემთხვევაში, ფაქტიურად ადგილი აქვს ტელეპორტაციას! დიახ, ტელეპორტაციას, რადგანაც ელემენტის ატომები ერთმანეთისგან განსხვავდებიან მხოლოდ მუხტით, ხოლო შეჯაჭვული წყვილიდან ერთ-ერთის მუხტის ხელოვნური შეცვლით, მისი პარტნიორის მუხტიც ავტომატურად საპირისპიროზე იცვლება-ანუ იმ ატომის მუხტზე რომელიც გარე ზემოქმედებით შევცვალეთ!
თავდაპირველად, ნაჩვენები იყო, რომ ამ ტიპის ქვანტური შეჭიდულობა მოქმედებდა მცირე მანძილზე, მანძილის გაზრდასთან ერთად ის ისევე მოულოდნელად ქრებოდა, როგორც ჩნდებოდა, მაგრამ ხაზგასმით იყო აღნიშნული მყისიერი კომუნიკაცია!. შემდეგში გამოჩნდა ცნობები, რომ შეძლეს შეჯაჭვულობის მანძილის 8 მილამდე (დედამიწაზე) და 10 მილამდე (კოსმოსში) გაზრდა ანუ "მონაცემების ტელეპორტაცია"
Quantum teleportation achieved over ten miles of free space
გამოყენება
რა შესაძლებლობებს გვაძლევს ქვანტური შეჭიდულობა?
ტელეპორტაცია უკვე ვახსენეთ, თუმცა ისეთი ტელეპორტები როგორებიც Start Trek-ის სერიაშია მხოლოდ ფანტასტიკის სფეროა, ამ შემთხვევაში საუბარია აბსოლუტურად იდენტური ატომების ჯერ "ქვანტურ შეჭიდვაზე" და მერე "ტელეპორტაციაზე" რომელიმეს მდგომარეობს გარეგანი ცვლილებით მის პარტნიორ ატომში საწინააღმდეგო ცვლილებაზე
პირველი გადაულახავცი დაბრკოლება ადამიანის ტელეპორტირებისას არის მისი იდენტური ასლის პოვნა "შეჭიდებისთვის" თვით იდენტურ ტყუპებშიც კი ატომურ-მოლეკულურ დონეზე უამრავი განსხვავებაა,
თუნდაც მოხერხდეს ჩვენი კვანტური ორეულის პოვნა, თვით "შეჭიდებაც" წარმოუდგენელია: ადამიანის სხეულში იმაზე მეტი ატომია ვიდრე ჩვენს გალაქტიკაში ვარსკვლავები, წარმოიდგინეთ, რომ "ტელეპორტაციისთვი" ჯერ ყველა ატომი უნდა შეწყვილდეს, შემდეგ კვანტური ორეული უნდა გავუშვათ იქ სადაც გვინდა ტელეპორტირება, და მერე მოვახდინოთ მისი სხეულის ყველა ატომის მდგომარეობის ცვლილება
სამაგიეროდ აქ იხსნება წარმოუდგენელი შესაძლებლობები ქვანტურ ინფორმატიკაში და ინფორმაციის შიფრირებაში:
დღევანდელი ექსპერიმენტებითაც კი შესაძლებელია შეჭიდულ სისტემებს შორის 10 მილამდე (16 კმ) ბინარული ინფორმაციის მყისიერი მიმოცვლა: ინფორმაციის ერთეული დღევანდელ შემთხვევაში მუხტია: ქვანტური გადამცემი დამუხტულია უარყოფითად, ქვანტური მიმღები კი დადებითად,(ან პირიქით)
გადამცემის მუხტის ცვლილებით იცვლება მიმღების მუხტიც, ამ პროცედურის მრავალგზის განმეორებით გვაქვს 0 დსა 1-იანების ნაკადი: ანუ ქვანტური ინფორმატიკაც იმის მსგავსად იწყება, როგორც თანამედროვე: პირველ კომპიუტერებში მონაცემები შეყავდათ მორზეს ტელეგრაფის "ჩახმახით":
მოკლე დაჭერა ნიშნავდა 0, ხოლო ხანგრძლივი-1 (წერტილი და ტირეს ტელეგრაფული ანალოგი)
პრინციპში დღევანდელ პროცესორებსაც მხოლოდ 0 და 1 ესმით, უბრალოდ შეყვანის მეთოდები დაიხვეწა
დავუბრუნდეთ ქვანტურ ინფორმატიკას:
ინფორმაციის გადაცემის ელემენტალური (თუ შეიძლება ასე ითქვას ) ხერხი გვაქვს, დღესდღეობით ის შეზღუდულია მხოლოდ მანძილით, არ არის აღმოჩენილი მანძილის გარდა სხვა ძალა, რომელიც გავლენას ახდენს ქვანტურ შეჭიდულობაზე და მის მოქმედებაზე, თან გაითვალისწინეთ, ურთიერთქმედება არის მყისიერი! ანუ ფაქტიურად სინათლეს ვუსწრებთ, თუმცა არაფერს ვამოძრავებთ და შესაბამისად "ჩვენი" ფიზიკის წესებსაც არ ვარღვევთ!
თუკი მანძილის ბარიერი დაიძლევა, გვექნება კავშირის უნივერსალური საშუალება, რომელსაც არ სჭირდება არც გამაძლიერებელი, არც ანტენა და არც "ხედვის კუთხე"
კავშირი იქნება ისეთივე ხარისხის და სისწრაფის თუნდაც მზის შუაგულიდან,თუ გალაქტიკის მეორე ბოლოდან, რიოგორც გვერდით ოთახში მყოფ ადამიანთან!(თუ ჰუმანოიდთან ) პრობლემაა მზის შუაგულში მოხვედრა და გადარჩენა ოღონდ
მეორეა კავშირის უსაფრთხოება: ქვანტური შეჭიდულობა ხდება მხოლოდ ნაწილაკთა წყვილს შორის, ანუ აქ "მესამე ზედმეტია" და ვერც ვერაფერს იზამს რომ მოინდომოს: კომუნიკატორი ავს მხოლოდ MI-6 Lady და Agent 007-ს, შეუძლებელია მათი კავშირის "პერეხვატი", ან გაშიფვრა, რადგან კომუნიკატორებში არსებული ნაწილაკები მხოლოდ ერთმანეთთანაა შეჭიდული და სხვას არავის და არაფერს არ ცნობენ
CIA და მოსადი ამის ყურებაზე შურით სკდება, ხოლო იარაღის ბარონები და ჩრდილო კორეელები გულზე სკდებიან სიბრაზისგან
დღესდღეობით საუბარია მხოლოდ მუხტის ცვლილებით "მონაცემთა ტელეპორტაციაზე", თუმცა რეალურად შეჭიდული ატომები იმეორებენ ბევრ პარამეტრს და მათი ცვლილებაც შესაბამისად გადაეცემა, თუკი "ვისწავლით" ამ პარამეტრების კომბინირებულად ცვლილებას და გადაცემას, გაიზრდება გადაცემული ინფორმაციის მოცულობა სიჩქარის შეუცვლელად!
ასევე, თუკი "შეჭიდების" ეფექტურობა გაიზრდება- დღესდღეობით დაახლოებით 1 : მილიარდ წყვილზეა, საშუალება გვექნება ერთ წყვილ კომუნიკატორში უფრო მეტი შეჭიდული წყვილები გამოვიყენოთ და კვლავ გავზარდოთ გადაცემული ინფორმაციის რაოდენობა,
ამ ტიპის კავშირის კომბინაცია ქვანტურ კომპიუტერებთან (რომელთა მუშა პროტოტიპები დღეს უკვე არსებობს) კიდევ ახალ უსაზღვრო შესაძლებლობებს ქმნის კიბერნეტიკასა და ინფორმატიკაში
სხვათა შორის ქვანტურად შეჭიდული კავშირი QEC ნახსენებია 2010 წელს გამოსულ საკულტო თამაშში Mass Effect 2, სადაც კომანდორ შეპარდს თავის ხომალდ Normandy SR2-ზე აქვს კავშირის ქვანტური სისტემა Quantum Entanglement based Communications array თავის ბოსთან Illusive Man-თან:
Normandy's QEC
ვისაც გაინტერესებთ მეტი, თან ფორმულების გარეშე გასაგები ილუსტრაციებით გადახედეთ
Quantum Entanglement - Dave Jarvis
ასევე Quantum entanglement WIKI
და Quantum Entanglement and Information
