DOW-UAP-D133: השלכות השזירה הקוונטית והאי-מקומיות על תקשורת בחלל - התאבכות רפאים, אותות לאחור בזמן ורכב שטח על מאדים בזמן אמת

קובץ: DOW-UAP-D133_AAWSAP-DIRD-The-Space-Communication-Implications-of-Quantum-Entanglement-and-Nonlocality-March-30-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחוני (DIA), משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD) בסדרת "Acquisition Threat Support"; מספר בקרה DIA-08-1003-016 תאריך: 30 במרץ 2010 (תאריך סגירת המידע, ICOD: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (הסימון FOR OFFICIAL USE ONLY מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026) מספר עמודים: 32 VIRIN: 260918-D-D0360-1122 שחרור PURSUE: 6

תקציר

DOW-UAP-D133 שואל שאלה אחת: האם אפשר להשתמש בשזירה קוונטית (quantum entanglement), ההתנהגות המקושרת של חלקיקים שנולדו באותו אירוע, כדי לשלוח הודעה? אילו היה הדבר אפשרי, טוען המסמך, הוא היה "an enabling technology for superluminal (and retrocausal) signaling" (טכנולוגיה מאפשרת לאיתות על-אורי, ואף לאיתות בסיבתיות הפוכה), והשימוש הברור ביותר שלו הוא בחלל, שבו מהירות האור הופכת שליטה בזמן אמת בגשושיות רחוקות לבלתי אפשרית. המחבר מופיע רק בכינוי המושחר AAP Person 76.

המסמך טכני יותר, ומתווכח בגלוי יותר, מסיכום ייחוס רגיל. הוא בנוי משלושה עשר פרקים ממוספרים, עם שנים עשר איורים, מילון מונחים ו-26 מקורות. הוא סוקר חצי מאה של ניסויי שזירה, חולק על ה"הוכחות" המקובלות שאי אפשר לאותת, מתכנן ניסוי שיכריע בשאלה, ואז עוקב אחר ההשלכות אילו הניסוי יצליח: הודעות שמתקבלות לפני שנשלחו, פרדוקסים של לולאות זמן, ומפעיל על כדור הארץ שנוהג ברכב שטח על מאדים בזמן אמת.

הוא גם כן לגבי מגבלותיו. הוא אומר שיש "at present no compelling answer" (כרגע אין תשובה משכנעת), מציע שהקשר ההפוך בין קוהרנטיות לשזירה אולי הוא "nature's way of preventing nonlocal signaling" (הדרך של הטבע למנוע איתות לא-מקומי), ומסיים בקביעה שהשאלה "is an experimental one" (היא שאלה ניסויית). אין בו כל אזכור של עב"מים או UAP.

מאמר מחקר

המסמך והבעיה שהוא מציב

השער מציג את התבנית הרגילה של DIRD: "Acquisition Threat Support", 30 במרץ 2010, ICOD של 1 בדצמבר 2009, מספר בקרה DIA-08-1003-016, יום אחד אחרי D132 (DIA-08-1003-015) ובאותו גוש מספור. הוא הוכן ("Prepared by") על ידי אגף תמיכת הרכש (Acquisition Support Division, DWO-3) במשרד ההתרעה הביטחונית, במנהלת הניתוח של ה-DIA; ההערה המנהלית בעמוד 2 מתארת אותו כ"one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009" (אחד מסדרת דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009) ומפנה הערות אל AAP Person 1, מנהל תוכנית AAWSA. בהצהרת היעדים של AAWSAP אין תחום ייעודי לתקשורת, ולכן המסמך מתאים בעיקר ל"נושאים תומכים" (supporting topics), עם קשר לתחום "שליטה" (הפעלה מרחוק בזמן אמת), ודרך תרחישי הסיבתיות ההפוכה גם ל"העתקה מרחבית וזמנית".

הפתח (עמודים 5-6) מציג את הבעיה המבצעית במספרים. האור זקוק לכ-3.3 מיקרו-שניות לכל קילומטר, "about 1.3 seconds to reach the Moon, between 4.4 and 20 minutes to reach Mars, and between 4 and 4.3 hours to reach Neptune" (כ-1.3 שניות כדי להגיע לירח, בין 4.4 ל-20 דקות כדי להגיע למאדים, ובין 4 ל-4.3 שעות כדי להגיע לנפטון). התוצאה היא הצורך ברובוטים מתוכנתים מראש. בדרך כלל מקובל שתורת היחסות הפרטית אוסרת כל דבר מהיר יותר, אך המסמך טוען ש"relativity prohibits only certain forms of superluminal communication" (היחסות אוסרת רק צורות מסוימות של תקשורת על-אורית). הוא מציין שאיינשטיין, פודולסקי ורוזן הצביעו לראשונה על האי-מקומיות כדי להתנגד לה, שמאז הודגמה בניסויים, ושרק "a few Copenhagen 'holdouts'" (כמה "סרבנים" מאסכולת קופנהגן) עדיין דורשים הדגמה של איתות לפני שיקבלו אותה.

חמישים שנה של ניסויי שזירה

פרק I מסביר שזירה באמצעות קיטוב פוטונים: שני פוטונים הנפלטים גב אל גב במצב של תנע זוויתי אפס חייבים להראות קיטוב זהה בכל פעם שהם נמדדים באותו בסיס. אי-שוויוני בל (Bell Inequalities) מראים שאף תאוריה מקומית של "משתנים נסתרים" אינה יכולה לשחזר את דפוס המתאמים הזה בכל הבסיסים. המסמך מציע אז כרונולוגיה משלו, ואומר שהוא מבקש "to set the record at least somewhat straighter" (ליישר מעט את הרשומה, עמוד 8). C. S. Wu ו-I. Shanknov (כך האיות במסמך) מדדו ב-1949 קיטובים מנוגדים של קרני גמא; פרידמן וקלאוזר (Freedman and Clauser) ערכו ב-1972 את "the first definitive Bell inequality test" (מבחן אי-שוויון בל המכריע הראשון), ששלל משתנים נסתרים מקומיים ב-6.7 סטיות תקן (איור 1); קבוצת אספה (Aspect) סגרה כמה פרצות ב-1982 עם 46 סטיות תקן; וקבוצת ז'יזן (Gisin), לפי המסמך, קישרה מדידות בז'נבה ובברן, במרחק 156 ק"מ, דרך סיבי חברת הטלפונים השווייצרית (עמוד 8).

המסמך נוקט עמדה בנוגע לתאוריות "הריאליזם הלא-מקומי" של אנתוני לגט (Anthony Leggett), שקבוצתו של אנטון צייליגר (Anton Zeilinger) בווינה הפריכה ב-3.6 וב-9 סטיות תקן. לדעתו המבחן הזה היה "mainly an exercise in demolishing a 'strawman'" (בעיקר תרגיל בהפלת "איש קש"), והוא מסיק ש"nature is both nonlocal and unrealistic" (הטבע הוא גם לא-מקומי וגם לא-ריאליסטי) במובן הצר שלגט הניח (עמוד 9). הוא גם מסביר מדוע ניסויי קיטוב אינם יכולים לשאת הודעה: כל צופה בוחר בסיס מדידה, אך "he is not free to force the photon into a particular state of that basis" (אינו חופשי לכפות על הפוטון מצב מסוים באותו בסיס, עמוד 10).

ערעור על משפטי האי-איתות

פרק II הוא לב העניין. "משפטי האי-איתות" (no-signal theorems) המקובלים קובעים שכל מה שצופה אחד עושה במחצית שלו של זוג שזור אינו משנה דבר בסטטיסטיקה שרואה הצופה השני. המסמך מנסח מחדש כל מבחן איתות כמבחן של "אי-תלות בפרמטר" (parameter independence) ושואל אם ההוכחות האלה "really have the status of mathematical theorems? Perhaps not" (באמת בעלות מעמד של משפטים מתמטיים? אולי לא). הוא מביא טיעון שחלקן "tautological" (טאוטולוגיות), כי הן מניחות תהליך מדידה מקומי ובכך מכניסות את המסקנה להנחות, ומסיק ש"לפחות מנקודות מבט מסוימות" התקשורת הלא-מקומית "remains open and appropriate for experimental testing" (נותרת פתוחה וראויה לבדיקה ניסויית, עמוד 10). פרק III טוען שאותות כאלה לא יפרו את אינווריאנטיות לורנץ של היחסות הפרטית, משום שרגעי השליחה והקבלה שלהם תלויים באורכי המסלולים ואינם יכולים לשמש לסנכרון שעונים, אך מודה שהסיבתיות "appears very likely to be violated" (נראית ככל הנראה מופרת, עמוד 11).

בפיזיקה המרכזית תוצאת האי-איתות נחשבת לנגזרת של מכניקת הקוונטים המקובלת, ואף ניסוי לא הדגים איתות באמצעות שזירה. המסמך עצמו מודה שהדגמה כזו לא הייתה קיימת.

התאבכות רפאים, דופפר והקשר ההפוך של הקוהרנטיות

תקוות המסמך נשענות על שזירה בתנע ולא על קיטוב. פרק IV מתאר את ניסוי "התאבכות הרפאים" (Ghost Interference) של קבוצת שי (Shih) מ-1995 (איורים 2-4): אור אולטרה-סגול באורך גל 351 ננומטר מלייזר ארגון-יון, שהומר בגביש BBO לזוגות פוטונים של 702 ננומטר, יצר דפוס התאבכות של שני סדקים בפוטון שכלל לא עבר ליד הסדקים, אבל רק כאשר שני הגלאים נבדקו "בצירוף מקרים" (in coincidence), כלומר בהתאמת זמנים (עמודים 12-14). ניסוי עבודת הדוקטורט של בירגיט דופפר (Birgit Dopfer) באינסברוק ב-1998 (איור 5) הדליק וכיבה דפוס התאבכות על ידי הזזת גלאי בזרוע השנייה בין שני מיקומים ביחס לעדשה (עמוד 15). שני הניסויים נזקקו לקו תקשורת קלאסי כדי להתאים בין זוגות הפוטונים, ולכן אף אחד מהם לא הדגים תקשורת. גם המקורות היו חלשים: רק פוטון שאיבה אחד מתוך 10 בחזקת 10 בערך יצר זוג שזור (עמוד 13).

מדוע אי אפשר פשוט לוותר על דרישת צירוף המקרים? בכך עוסק פרק V. מקור בעל גודל סופי מערבל את הפאזה בסדקים ומוחק את הדפוס ("אפקט המקור העבה", איור 6). הקטנה אפקטיבית של המקור משפרת את הקוהרנטיות אך מפחיתה את השזירה; המסמך מביא עבודה מאוניברסיטת בוסטון המראה "complementary relation between source coherence and two-photon entanglement" (יחס משלים בין קוהרנטיות המקור לשזירה של שני פוטונים). איתות מחייב את שתיהן, ו"where there is coherence without entanglement or entanglement without coherence, nonlocal communication with momentum-entangled photons is not possible" (כשיש קוהרנטיות בלי שזירה או שזירה בלי קוהרנטיות, תקשורת לא-מקומית בפוטונים השזורים בתנע אינה אפשרית). השאלה אם קיימת "נקודה מתוקה" (sweet spot) עם מידה חלקית של שתיהן נותרת פתוחה (עמודים 16-17).

הניסוי המוצע ותקציב הזמן שלו

פרק VI מתכנן את הניסוי המכריע (איור 7). עדשה מקרינה דמות של זוג סדקים אחד על זוג אחר; סיבים אופטיים מוליכים את האור מסדקי הדמות אל מתג ששולח אותו או לשני גלאים נפרדים (ומספק מידע "באיזו דרך", which-way) או למאחד אופטי (שמוחק את המידע). מצלמת CCD מקוררת בזרוע השנייה אמורה אז להראות דפוס של סדק יחיד עבור "1" או דפוס התאבכות של שני סדקים עבור "0". אילו כך קרה, הדבר "would falsify the no-signal theorems" (היה מפריך את משפטי האי-איתות, עמוד 19). המסמך מעריך שדרושות כ-10 גילויי פוטונים להחלטה ברמת 3 סיגמה לכל ביט, מכנה זאת "a rather optimistic lower limit" (גבול תחתון אופטימי למדי), ומציע "perhaps ~100 or more" (אולי כ-100 ויותר) בפועל (עמוד 19). פרק VII מנתח את המערך באמצעות הפרשנות הטרנזקציונית של מכניקת הקוונטים (מקור 19), שבה גלי "הצעה" וגלי "אישור" יוצרים "לחיצת יד דו-כיוונית" בגביש (איורים 8-9), ומוצא "no 'show-stopper' aspects" (שום מכשול מכריע), תוך הדגשה שהפרשנות "is neutral on whether such signals are possible" (ניטרלית בשאלה אם אותות כאלה אפשריים, עמוד 22).

הודעות מן העתיד, פרדוקסים ורכב שטח על מאדים

פרקים VIII עד X מניחים, "for the sake of discussion" (לצורך הדיון), שהשיטה עובדת. הוספת שני גלילי סיב של 10 ק"מ לזרוע השולחת (איור 10) משהה את ה"שליחה" בכ-50 מיקרו-שניות. עם גביש KTP בקיטוב מחזורי (periodically poled), שלפי המסמך קבוצת וינה מדדה בו 2.73 כפול 10 בחזקת 5 זוגות לשנייה למיליוואט לננומטר, קצב גילוי של 10 מגה-הרץ נעשה סביר; עם 100 ספירות לביט, "the message could be received 40 µs before it was sent" (ההודעה תוכל להתקבל 40 מיקרו-שניות לפני שנשלחה), "direct violation of the principle of causality" (הפרה ישירה של עקרון הסיבתיות, עמוד 24). מיליון מערכות כאלה יגדילו את הפער ל-40 שניות, ויולידו "פרדוקס הונאה" (bilking paradox): לקבל הודעה ולהחליט לא לשלוח אותה. המסמך מביא את וילר ופיינמן ואת קבוצתו של קיפ תורן (Kip Thorne) לתמיכה בדעה שהטבע אוכף עקביות, מוסיף פרדוקס "הריון ללא חטא" (immaculate conception), שבו רומן שהתקבל מן העצמי העתידי "has been created out of nothing" (נוצר יש מאין), ומזכיר את הצעתו של סטיבן הוקינג שהטבע "abhors" (מתעב) לולאות דמויות-זמן (עמודים 24-25). כדי להימנע מכל זה, פרק X משתמש בסיבים באורך שווה, כך שהשליחה והקבלה מופרדות במרווח דמוי-מרחב ולא יכולה להיווצר לולאה (איור 11, עמודים 25-26).

פרק XI הוא היישום (איור 12, עמודים 26-28). תחנת בסיס על מאדים מחזיקה את מקור הפוטונים השזורים; זרם אחד משודר לכדור הארץ, שם המפעיל "שולח" על ידי בחירה אם לגלות את הפוטונים כגלים או כחלקיקים, ואילו תחנת הבסיס קוראת את הזרם השני במקום. הווידאו עדיין מגיע בהשהיה הרגילה, אך אות השליטה, לפי המסמך, יישלח "backwards up the time stream" (אחורה במעלה זרם הזמן), כך שמפעיל יוכל "לנהוג" ברכב השטח בזמן אמת באמצעות מציאות מדומה. מאחר שהלולאה עוברת לאורך חרוט האור, לא ייווצר פרדוקס.

מכניקת קוונטים לא-ליניארית והמסקנה

פרק XII מציע דרך שנייה. הרחבה לא-ליניארית של מכניקת הקוונטים שהציע סטיבן ויינברג (Steven Weinberg) תאפשר, כפי שהראה ג'וזף פולצ'ינסקי (Joseph Polchinski), "טלפון EPR" (EPR telephone). ניסויים לא מצאו כל אי-ליניאריות, אך המסמך מציע שהיא אולי מופיעה רק בצפיפויות אנרגיה גבוהות מאוד או בכבידה חזקה, למשל בסביבת "a neutron star or black hole" (כוכב נייטרונים או חור שחור), ומשרטט משוואת גל במרחב עקום (משוואת לפלס-בלטרמי) שהופכת שם לא-ליניארית (עמודים 28-29). המסקנה, באורך חצי עמוד, צנועה: העניין "is an experimental one" (הוא שאלה ניסויית), ו"at least one experiment in progress aims to produce a coincidence-free version of the Ghost Interference experiment" (לפחות ניסוי אחד שנמצא בעיצומו שואף להפיק גרסה של ניסוי התאבכות הרפאים ללא צירוף מקרים, עמוד 29). הניסוי והקבוצה העורכת אותו אינם מזוהים.

יש לציין כמה שגיאות. מילון המונחים מתארך את מאמר ה-EPR ל-1936, ואילו רשימת המקורות נותנת 1935; הטקסט מתארך את מדידת Wu ו-Shanknov ל-1949, ואילו המקור שלה נותן 1950; פרק XII ממקם את משפטי האי-איתות ב-"Part III" (הם בפרק II); וכמה הפניות מצביעות על פריטים שגויים (הדיון בפרדוקס ההונאה במילון מפנה למקורות 17-18, שהם מאמרי דופפר ובוסטון).

משמעות

D133 מקורי ופולמוסי יותר ממה שהתווית "ייחוס וסינתזה" מרמזת: הוא מציע ניסוי מוגדר, נותן תקציב קצב ביטים ומזהה את הקשר הפיזיקלי ההפוך שסביר ביותר שיכשיל אותו. עבור תוכנית מודיעינית, המשיכה היא קו תקשורת שאינו מתעכב בשל המרחק, אף שהמסמך אינו דן כלל בשימוש צבאי, ביריבים או בסיכוני יירוט. העמדה המרכזית בפיזיקה, ששזירה אינה יכולה לשאת אות נשלט, לא השתנתה, והסייגים של המסמך עצמו משאירים מקום בדיוק לתוצאה כזו. אין לו דבר לומר על UAP; הקשר שלו לתוכנית הוא העניין הרחב של AAWSAP בפיזיקה שעשויה יום אחד לבטל מגבלות מקובלות.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"The question investigated in this paper is whether quantum nonlocality is the private domain of nature or whether it can be used in experimental situations to send signals from one observer to another. As we will see, there is at present no compelling answer to this question." (השאלה שנחקרת במסמך זה היא אם האי-מקומיות הקוונטית היא נחלתו הפרטית של הטבע, או שאפשר להשתמש בה במצבים ניסויים כדי לשלוח אותות מצופה אחד לאחר. כפי שנראה, כרגע אין תשובה משכנעת לשאלה זו.) -- עמוד 6

"It is our view, however, that this is mainly an exercise in demolishing a 'strawman.'" (אולם לדעתנו, זהו בעיקר תרגיל בהפלת "איש קש".) -- עמוד 9

"Do these no-signal 'proofs' really have the status of mathematical theorems? Perhaps not." (האם ל"הוכחות" האי-איתות האלה יש באמת מעמד של משפטים מתמטיים? אולי לא.) -- עמוד 10

"It is perhaps likely that the coherence-versus-entanglement tradeoff is nature's way of preventing nonlocal signaling, but that has not been demonstrated." (ייתכן בהחלט שהקשר ההפוך בין קוהרנטיות לשזירה הוא הדרך של הטבע למנוע איתות לא-מקומי, אך הדבר לא הודגם.) -- עמוד 17

"If 100 photon counts constitute a signal, then, even allowing for the latency in signal reception, the message could be received 40 µs before it was sent." (אם 100 ספירות פוטונים מהוות אות, אזי גם בהתחשב בהשהיית קליטת האות, ההודעה תוכל להתקבל 40 מיקרו-שניות לפני שנשלחה.) -- עמוד 24

"Yet highly structured information (the novel) has been created out of nothing." (ובכל זאת, מידע מובנה ביותר, הרומן, נוצר יש מאין.) -- עמוד 25

"One can imagine driving the Mars Rover around the planet, actively steering around obstacles, activating analysis instruments in real time as interesting objects were found, and actively controlling repair equipment to deal with problems that arise." (אפשר לדמיין נהיגה ברכב השטח על פני מאדים, היגוי פעיל סביב מכשולים, הפעלת מכשירי ניתוח בזמן אמת כשנמצאים עצמים מעניינים, ושליטה פעילה בציוד תיקון כדי לטפל בתקלות שמתעוררות.) -- עמוד 27

"Ultimately, the question of whether nonlocal communication is possible is an experimental one." (בסופו של דבר, השאלה אם תקשורת לא-מקומית אפשרית היא שאלה ניסויית.) -- עמוד 29