KΒΑΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΛΕΞΗ: ΤΟ ΠΙΟ ΠΑΡΑΞΕΝΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΥ, ΠΟΥ ΘΑ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΕΙ ΚΑΘΟΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΝ ΑΝΘΡΩΠΟΤΗΤΑ ΤΟΥ 22ου ΑΙΩΝΑ.

ΑΠΟΚΟΣΜΗ  ΔΡΑΣΗ  ΑΠΟ  ΤΙΣ  ΑΚΡΕΣ  ΤΟΥ  ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ  

Η γάτα του Σρέντινγκερ σε κβαντική διεμπλοκή

Ο ΑΪΝΣΤΑΪΝ ΕΚΛΕΨΕ ΤΟΝ ΤΥΠΟ Ε=Μ.C² ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΥΣΤΡΙΑΚΟ ΦΥΣΙΚΟ ΦΡΙΤΣ ΧΑΖΕΝΕΡΛ (Fritz Hasenöhrl).

Κατά την κβαντική μηχανική ένα ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε μια υπέρθεση καταστάσεων, δηλαδή σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα, μέχρι να πραγματοποιηθεί μια μέτρηση, η οποία αναγκάζει το σωματίδιο να καταλάβει μια συγκεκριμένη κατάσταση.
Η κβαντική διεμπλοκή – το φαινόμενο που επιτρέπει σε δύο σωματίδια να συμπεριφέρονται παρόμοια, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται – είναι από τα πιο παράξενα φαινόμενα του μικρόκοσμου. Μερικές φορές, η αλληλεπίδραση δύο σωματιδίων αναγκάζει μεμονωμένες ιδιότητές τους, όπως το σπιν, να "διεμπλακούν".

Δηλαδή αν αλλάξουμε το σπιν (την  στροφορμή),  του ενός σωματιδίου αυτό έχει επιπτώσεις αμέσως στο σπιν και του άλλου, ανεξάρτητα από την απόσταση που έχουν μεταξύ τους. 

 ΒΡΗΚΑΜΕ ΜΙΑ ΤΕΤΑΡΤΗ ΧΩΡΙΚΗ ΔΙΑΣΤΑΣΗ. ΜΙΑ ΑΛΗΘΙΝΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ.

Σύμφωνα με τη κβαντική θεωρία, μπορείτε να συσχετίσετε ένα ζευγάρι φωτονίων έτσι ώστε οι ιδιότητές τους να συνδέονται αναπόσπαστα. Τα συσχετισμένα φωτόνια βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση όσο και αν απέχουν μεταξύ τους.  Αυτό ισχύει ακόμα κι αν τα στέλνατε στις αντίθετες άκρες της Γης. Μετρήστε το ένα από τα συσχετισμένα φωτόνια στο Βόρειο Πόλο και καθορίζετε αμέσως την κατάσταση του άλλου φωτονίου στο Νότιο Πόλο.

Μία ερευνητική ομάδα μέτρησε ταυτόχρονα τις κβαντικές καταστάσεις σε ένα φωτόνιο ενός συσχετισμένου ζεύγους, που βρισκόταν στο εργαστήριο-δέκτη, και σε ένα άλλο φωτόνιο «εισόδου», το οποίο ήταν και το φωτόνιο που τηλεμεταφέρθηκε.

Ως αποτέλεσμα της μέτρησης, το δεύτερο φωτόνιο στο συσχετισμένο ζεύγος, απέκτησε τις κβαντικές ιδιότητες του φωτονίου εισόδου.

Η  ΜΗΧΑΝΙΚΗ  ΤΩΝ  ΚΒΑΝΤΩΝ,  Η  ΣΠΟΥΔΑΙΟΤΕΡΗ  ΦΥΣΙΚΗ  ΘΕΩΡΙΑ  ΤΟΥ  20ού  ΑΙΩΝΑ.

Η κβαντική θεωρία, η οποία γεννήθηκε στις αρχές του 20ού, αποτελεί αναμφίβολα την πιο ισχυρή σύλληψη του ανθρώπινου πνεύματος.

Μας διαφωτίζει σχετικά με τους νόμους της φύσης: από αυτούς που εξηγούν τον μικρόκοσμο έως αυτούς που διέπουν την εξέλιξη του Σύμπαντος στο σύνολό του. Χάρη στη βαθιά γνώση που μας έδωσε σχετικά με τα φαινόμενα του μικρόκοσμου, άνοιξε το δρόμο για την ανάπτυξη πολλών τεχνολογιών του σύγχρονου κόσμου, που έφεραν επανάσταση στην καθημερινή μας ζωή (παραδείγματος χάρη το λέιζερ και ο υπολογιστής).
Ωστόσο, παρόλες αυτές τις επιτυχίες, η κβαντική φυσική μάς φαίνεται παράξενη, γιατί οι νόμοι της αντιβαίνουν στη διαίσθηση του πνεύματός μας, που είναι συνηθισμένο να παρατηρεί τον συνηθισμένο, μακροσκοπικό κόσμο. Η αρχή της υπέρθεσης καταστάσεων και ο δυισμός κύματος-σωματιδίου βρίσκονται στην καρδιά της συγκεκριμένης θεωρίας, αποδίδοντάς της έναν χαρακτήρα μυστηριακό στα μάτια του μη ειδικού.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, η κβαντική ιδιαιτερότητα αναλύθηκε διαμέσου των εμπειριών της σκέψης, έτσι όπως τις φαντάστηκαν οι θεμελιωτές της θεωρίας, οι γνωστότεροι μεταξύ των οποίων είναι ο  Δανός Bohr,  ο  Γερμανός  Heisenberg  και  ο  Αυστριακός  Schrödinger. Οι εμπειρίες αυτές, που συνίστανται στο χειρισμό των μεμονωμένων κβαντικών συστημάτων που έχουν διαμορφωθεί από ορισμένα άτομα ή φωτόνια, μέχρι σχετικά πρόσφατα παρέμεναν σε εικονικό επίπεδο. Η τεχνολογική πρόοδος τα έχει πλέον καταστήσει αληθινά, ανοίγοντας το δρόμο στο χειρισμό και τον άμεσο έλεγχο της κβαντικής ιδιαιτερότητας.

Η κβαντική φυσική, ή κβαντομηχανική, είναι ο κλάδος που εξετάζει τη φύση σε μικροσκοπικές, έσχατες διαστάσεις. Σε αυτόν τον παράξενο, σχεδόν παράλογο κόσμο, οι νόμοι της κλασικής φυσικής παύουν να ισχύουν και τα κβαντικά φαινόμενα αναλαμβάνουν τον έλεγχο.
Είναι όμως δύσκολο να απομονώσει κανείς μεμονωμένα σωματίδια, όπως τα φωτόνια και τα άτομα και να μελετήσει τις κβαντικές ιδιότητές τους. Μάλιστα πολλοί πίστευαν κάποτε ότι αυτό θα ήταν αδύνατο - μέχρι τις  δύο  τελευταίες  δεκαετίες,  που  διάφοροι  επιστήμονες,  εργαζόμενοι  παράλληλα  σε  διάφορες  χώρες,  απέδειξαν  ότι  αυτό  είναι  δυνατό.
Οι  επιστήμονες  αυτοί  εργάζονται στον κλάδο της κβαντικής οπτικής, μελετώντας τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στο φως και την ύλη. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούν είναι ουσιαστικά παρόμοιες:
Ο  ένας  μπορεί  να παγιδεύει ιόντα, δηλαδή φορτισμένα άτομα, και τα μελετά χρησιμοποιώντας φωτόνια, δηλαδή φως. Τα  ιόντα αιωρούνται μέσα σε μια παγίδα που τα συγκρατεί με ηλεκτρικά πεδία. Μια δέσμη λέιζερ εισέρχεται στην παγίδα και καταστέλλει τη θερμική κίνηση του ιόντος, δηλαδή το ακινητοποιεί κατά κάποιο τρόπο.  Το εντυπωσιακό είναι όμως ότι ένας προσεκτικά ρυθμισμένος παλμός του λέιζερ μπορεί να φέρει το σωματίδιο σε μια παράξενη κατάσταση στην οποία καταλαμβάνει δύο ενεργειακές στάθμες ταυτόχρονα. Και αυτό είναι μια απόδειξη της «υπέρθεσης», ή «επαλληλίας», κατά το οποίο ένα σωματίδιο βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, είναι θεμελιώδης αρχή της κβαντομηχανικής.
Ένας  άλλος   μπορεί  να ακολουθεί την αντίθετη προσέγγιση και να  χρησιμοποιεί άτομα για να εξετάσει παγιδευμένα φωτόνια.  Είναι  μια διαφορετική τακτική για να μελετήσει κανείς  την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη.  Φωτόνια εισάγονται σε μια μικρή κοιλότητα με τοιχώματα που αποτελούνται από τους πιο λείους καθρέπτες του κόσμου -τόσο λείους, ώστε κάθε φωτόνιο μπορεί να διανύσει 40.000 χιλιόμετρα αναπηδώντας στα τοιχώματα, πριν τελικά απορροφηθεί.  Για να ελεγχθούν  και  να  μετρηθούν αυτά τα φωτόνια καθώς αναπηδούν πέρα δώθε, εισάγεται στην κοιλότητα ένα άτομο που κινείται με συγκεκριμένη ταχύτητα. Το άτομο αλληλεπιδρά με το φωτόνιο, αλλάζει κβαντική κατάσταση και στη συνέχεια βγαίνει από την άλλη άκρη της παγίδας, οπότε μπορεί να μετρηθεί. Η μέτρηση της μεταβολής της κβαντικής κατάστασης του ατόμου δίνει τελικά πληροφορίες για το ίδιο το φωτόνιο, χωρίς να το καταστρέψει στη διαδικασία.


Τα σημερινά  πειράματα  θα είχαν αφήσει έκπληκτο τον Αυστριακό φυσικό Έρβιν Σρέντιγκερ, έναν από τους θεμελιωτές της κβαντικής φυσικής τον προηγούμενο αιώνα.

«Ποτέ δεν πειραματιζόμαστε με μόνο ένα ηλεκτρόνιο ή άτομο ή μόριο. Ορισμένες φορές υποθέτουμε ότι το κάνουμε σε πειράματα σκέψης, αυτό όμως οδηγεί πάντα σε γελοίες συνέπειες» έγραφε το 1952.

Αυτό που προβλημάτιζε τον Σρέντιγκερ ήταν ότι σχεδόν παράλογες συνέπειες των εξισώσεών του, οι οποίες έδειχναν ότι ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Φανταστείτε, είπε, μια γάτα που βρίσκεται απομονωμένη σε ένα κουτί όπου υπάρχει και μια συσκευή απελευθέρωσης ενός δηλητηρίου, η οποία ελέγχεται από ένα κβαντικό σύστημα.

Το κβαντικό σύστημα βρίσκεται σε δύο καταστάσεις, και επομένως και η γάτα βρίσκεται σε δύο καταστάσεις: και ζωντανή και νεκρή. Αυτό όμως είναι αδύνατο να παρατηρηθεί, αφού το άνοιγμα του κουτιού θα διατάρασσε την κβαντική υπέρθεση και θα καθιστούσε τη γάτα είτε ζωντανή είτε νεκρή.

Ο ίδιος ο Σρέντιγκερ ζήτησε αργότερα συγγνώμη για τη σύγχυση που προκάλεσε στη φυσική, τελικά όμως σήμερα  αποδείχτηκε  ότι τέτοιες καταστάσεις υπέρθεσης υπάρχουν και μπορούν να δημιουργηθούν στο εργαστήριο, με φωτόνια ή άτομα που βρίσκονται ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις.

Και, όσο κι αν φαίνεται παράξενο, ο παραλογισμός του Σρέντιγκερ μπορεί να έχει πρακτικές εφαρμογές, μεταξύ άλλων στους κβαντικούς υπολογιστές.

Οι σημερινοί υπολογιστές αποθηκεύουν την πληροφορία σε bit, τα οποία βρίσκονται είτε στην κατάσταση «0» είτε στην κατάσταση «1». Στους κβαντικούς υπολογιστές όμως, κάθε bit μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, επιτρέποντας παράλληλους υπολογισμούς με αστρονομική ταχύτητα.

ΕΝΑ  ΚΒΑΝΤΙΚΟ  ΠΕΙΡΑΜΑ:

Τα φωτόνια είναι τα μικροσκοπικά πακέτα ενέργειας που μερικές φορές μας βολεύει να τα περιγράφουμε σαν κύματα και άλλες σαν σωματίδια που κουβαλούν την ενέργεια από μια «φωτεινή» πηγή. Και χρησιμοποιούμε εδώ εισαγωγικά διότι μπορεί η πηγή αυτή να μην είναι απαραίτητα μια λάμπα που καίει και τη βλέπουμε να φωτίζει αλλά να είναι ακόμη μια πηγή μικροκυμάτων ή και ένα οποιοδήποτε σώμα, που εξαιτίας της θερμοκρασίας του προωθεί προς όλες τις κατευθύνσεις τους μικροσκοπικούς αυτούς και γεμάτους ενέργεια απεσταλμένους του.

Οι  επιστήμονες  τις  τελευταίες  δεκαετίες έβαλαν ως σκοπό τους να κάνουν κάτι που ο Μπορ, είχε πει ότι είναι αδύνατον να γίνει. Να καταφέρουν να κάνουν ένα μόνο φωτόνιο να δηλώνει την παρουσία του σε κάποιον χώρο χωρίς αυτό να σημαίνει την ίδια στιγμή και τον θάνατό του. Διότι όταν λέγαμε ότι βλέπουμε ή ότι παρατηρούσαμε φωτόνια, εκτός του ότι αυτά συνέρρεαν κατά δισεκατομμύρια, μόλις μας έδιναν το σήμα της παρουσίας τους εξαφανίζονταν διοχετεύοντας την ενέργειά τους συνήθως σε έναν ηλεκτρικό παλμό. 

Οι  φυσικοί  κατασκεύασαν ένα μεταλλικό κουτί, με δυο παράλληλα φύλλα χαλκού σε ανάμειξη με νιόβιο, και με τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας αυτό έγινε τελικά ο πιο λείος καθρέφτης που υπάρχει στη Γη, το διατηρούσαν σε θερμοκρασίες -272 βαθμών Κελσίου και μπορούσαν να εγκλωβίζουν εκεί μέσα φωτόνια που «ανέβλυζαν» αυθόρμητα από τις μεταλλικές πλάκες για 130 ms, δηλαδή περίπου 1 δέκατο του δευτερολέπτου (διανύοντας σε αυτό τον χρόνο με την ταχύτητα του φωτός μια απόσταση ίση με την περιφέρεια της Γης στον Ισημερινό). Ουσιαστικά έναν αιώνα για τα φευγαλέα αυτά σωματίδια του μικρόκοσμου. Εστελναν στη συνέχεια μια δέσμη από άτομα ρουβιδίου σε μορφή ατόμων Rydberg να μπαίνουν από τη μια πλευρά ένα-ένα με τη σειρά τους στο κουτί. Στα αποκαλούμενα «άτομα Rydberg» με κατάλληλο χειρισμό των ακτίνων λέιζερ μπορείς να απομακρύνεις τα ηλεκτρόνιά τους σε απόσταση χίλιες φορές μεγαλύτερη από την κανονική ως προς τον πυρήνα αλλά χωρίς να αποχωρίζονται αυτά από το άτομο. Και έπειτα από αυτό, που λέει ο λόγος δηλαδή, περίμεναν.

Το άτομο με το ηλεκτρόνιο ήταν το… παχύ ποντίκι και το φωτόνιο η γάτα. Αν είχε «αναβλύσει» κάποιο από τις πλάκες και υπήρχε ανάμεσά τους, καθώς παλλόταν, με μια λεπτή, χειρουργική θα λέγαμε, μικροκίνηση στις πλάκες (για να μην απορροφηθεί η ενέργεια του φωτονίου από το ηλεκτρόνιο), σαν γάτα θα έπεφτε επάνω στο άτομο ρουβιδίου με την… ξεχειλωμένη μορφή Rydberg αλλά δεν θα είχε πλέον ακριβώς την ενέργεια που χρειάζεται για να σπρώξει ένα ηλεκτρόνιο σε άλλη τροχιά και το ίδιο να εξαφανιστεί. Επομένως το μόνο που θα μπορούσε να κάνει ήταν να άλλαζε πολύ λίγο, χωρίς το ίδιο να καταστραφεί, ένα άλλο χαρακτηριστικό του ηλεκτρονίου, τη συχνότητα περιστροφής του.  Η κατάσταση του ατόμου ρουβιδίου, που είναι λίγο αλλαγμένο στην έξοδο, σαν να έφαγε μια ελαφριά γροθιά, ανιχνεύεται με μικροκύματα στην έξοδο. Αν δεν υπήρχε φωτόνιο δεν θα υπήρχε και μεταβολή. Ετσι μπόρεσαν να φθάσουν στο σημείο να ξέρουν πόσα φωτόνια υπήρχαν στο κουτί χωρίς να το ανοίξουν αλλά και χωρίς να τα καταστρέψουν. Ασχετα αν έπειτα από ένα δέκατο του δευτερολέπτου βέβαια ένα φωτόνιο υποκύπτει στη μοίρα του και γίνεται ηλεκτρικός παλμός.

ΟΡΙΣΜΕΝΕΣ  ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ  ΕΝΝΟΙΕΣ:

Δυϊσµός ύλης και κύµατος: Κάποιες φορές ένα φωτόνιο βολεύει να το υπολογίζουμε σαν κύμα και άλλες σαν σωματίδιο υλικό. Στην ουσία όμως δεν είναι τίποτα από τα δύο.

Γάτα Σρέντιγκερ: Ενα νοητικό πείραμα για να δειχθεί ο παραλογισμός της Κβαντικής Μηχανικής, που όμως έδωσε πολλή τροφή για σκέψη. 

Κυµατική εξίσωση: Είναι ό,τι το ΑΦΜ και ο τραπεζικός λογαριασμός μαζί για ένα σωματίδιο. Τα περιέχει όλα, αλλά δύσκολα να τη χρησιμοποιήσεις άμεσα λύνοντάς την.

Υπέρθεση καταστάσεων: Στον κβαντικό κόσμο κάτι μπορεί να είναι ταυτόχρονα και το αντίθετό του και οτιδήποτε ενδιάμεσα. Μια πόρτα που εμείς λέμε θα είναι ή ανοικτή ή κλειστή οι κάτοικοι του μικροκόσμου λένε ότι μπορεί να είναι και τα δύο ταυτόχρονα.

Κβαντικός υπολογιστής: Με βάση το παραπάνω ελπίζουν να φτιάξουν έναν υπολογιστή που αντί με κάθε μπιτ να έχουμε μόνο μια τιμή, 0 ή 1, να έχουμε και τις δύο για να υπολογίζουμε. Αρα διπλάσιο από κάθε μπιτ, άρα για έναν 64-μπιτο υπολογιστή η ταχύτητα ανεβαίνει στα ύψη.

Σύµπλεξη: Δύο ή περισσότερα κβαντικά σωματίδια βρίσκονται σε συσχέτιση μεταξύ τους έστω και αν η απόσταση που τα χωρίζει είναι τεράστια.

Κβάντο: Η μικρότερη δυνατή μονάδα ενός φυσικού μεγέθους. Π.χ. το κβάντο του ευρώ είναι το σεντ.

Qubit: Κβαντικό σύστημα που μπορεί να πάρει δύο «κάθετες» μεταξύ τους καταστάσεις, π.χ. το σπιν (1/2, -1/2)

Αρχή της υπέρθεσης: Κάθε τυχών συνδυασμός δυο δυνατών καταστάσεων με κβαντική συμπεριφορά μπορούμε να περιμένουμε ότι θα δώσει μια νέα κατάσταση που θα είναι και αυτή παρούσα στον χώρο με τις άλλες δύο.

Η  ΚΒΑΝΤΙΚΗ  ΔΙΕΜΠΛΟΚΗ.

ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΖΟΝΤΑΣ  ΤΗΝ (ΖΩΝΤΑΝΗ  ΚΑΙ  ΝΕΚΡΗ  ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ)  ΓΑΤΑ  ΤΟΥ  ΣΡΕΝΤΙΓΚΕΡ

Επιστήμονες από την Αυστρία πέτυχαν να πάρουν φωτογραφίες της «Γάτας του Σρέντινγκερ» χωρίς ουσιαστικά να τη φωτογραφίσουν πραγματικά: συνέλαβαν με την κάμερά τους όχι τα ίδια τα φωτόνια που είχαν ανακλαστεί από τη σιλουέτα της γάτας, όπως γίνεται στις κοινές φωτογραφίες, αλλά τα φωτόνια που ήταν συσχετισμένα μαζί τους και δεν είχαν αλληλεπιδράσει με το συγκεκριμένο αντικείμενο.

Ο κβαντικός συσχετισμός ή διεμπλοκή παρατηρείται όταν δυο σωμάτια που έχουν δημιουργηθεί μαζί παραμένουν συνδεδεμένα σε «κατάσταση διεμπλοκής» ανεξάρτητα από την απόσταση που υπάρχει μεταξύ τους: ακόμη και αν βρεθούν χιλιόμετρα μακριά (ή και στην άλλη άκρη του Σύμπαντος) το ένα από το άλλο, όταν το ένα δέχεται μια επίδραση το άλλο αντιδρά επίσης ακαριαία. Αυτό σημαίνει ότι οι μετρήσεις τους είναι συσχετισμένες και ότι μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση.

Η Γκαμπριέλα Μπαρέτο Λέμος από την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών στη Βιέννη και οι συνεργάτες της σκέφτηκαν να χρησιμοποιήσουν τον κβαντικό συσχετισμό μεταξύ φωτονίων για να δημιουργήσουν εικόνες όχι με τα φωτόνια που είχαν αλληλεπιδράσει με το αντικείμενο που θα φωτογράφιζαν αλλά με τα μακρινά τους «δίδυμα» που βρίσκονταν σε κατάσταση διεμπλοκής μαζί τους.

Όπως περιγράφουν στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature» οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ως «μοντέλο» ένα στένσιλ που απεικόνιζε τη «Γάτα του Σρέντινγκερ» και δημιούργησαν διεμπλεκόμενα ζεύγη από κίτρινα και κόκκινα φωτόνια. Στη συνέχεια έστειλαν τα κίτρινα φωτόνια να ανακλαστούν στο στένσιλ, το οποίο ήταν φτιαγμένο από σιλικόνη διαπερατή από το ερυθρό φως, και τα κόκκινα στην κάμερα, η οποία μπορούσε να ανιχνεύσει μόνο το ερυθρό φως.  Εξαιτίας του συσχετισμού τους τα κόκκινα φωτόνια που έφθασαν στην κάμερα και ποτέ δεν είχαν «αγγίξει» το στένσιλ σχημάτισα την εικόνα της γάτας.

Το επίτευγμα αποδεικνύει ότι είναι δυνατόν να απεικονίσουμε αντικείμενα τα οποία είναι αόρατα στο φως που μπορούμε να ανιχνεύσουμε – με άλλα λόγια ότι μπορούμε να απεικονίσουμε ένα αντικείμενο χρησιμοποιώντας φως διαφορετικού μήκους κύματος (χρώματος) από το φως το οποίο αλληλεπιδρά με το αντικείμενο.



Η  ΙΣΤΟΡΙΑ  ΤΗΣ  ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ  ΔΙΕΜΠΛΟΚΗΣ

physics4u 

1935: Οι ιουδαίοι  φυσικοί Albert Einstein, Boris Podolsky και Nathan Rosen δημοσιεύουν μια θεωρητική εργασία στο Physical Review   εναντίον  των  Πλανκ,  Μπορ,  Χάιζεμπεργκ  και  Σρέντιγκερ  ρωτώντας  τους;
“Μπορεί η κβαντομηχανική περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας να θεωρηθεί πλήρης;" Οι  ίδιοι  απαντούν: όχι δεν μπορεί.
Το ίδιο έτος, στο περιοδικό «Naturwissenschaften», ο Έρβιν Σρέντιγκερ επινοεί τον όρο "εμπλοκή", και αναπτύσσει το περίφημο νοητικό πείραμα μιας γάτας που υπάρχει ταυτόχρονα σε μια κατάσταση ζωντανή και νεκρή. 

1952: Με βάση τις προηγούμενες εργασίες του Γάλλου φυσικού Louis de Broglie, ο θεωρητικός φυσικός David Bohm προτείνει μια ντετερμινιστική ερμηνεία της κβαντικής θεωρίας που ενσωματώνει “κρυμμένες μεταβλητές”.
Ισχυρίζεται ότι η αρχική κατάσταση ενός συστήματος, όπως η θέση ενός σωματιδίου, μπορεί να καθορίσει τη μελλοντική του εξέλιξη. 

1964: Ο Ιρλανδός φυσικός John Bell προτείνει την περίφημη ανισότητα του, που προβλέπει τα μαθηματικά που θα επιτρέψουν στους ερευνητές να αποκλείσουν πειραματικά οποιεσδήποτε κρυμμένες μεταβλητές, που λειτουργούν σε τοπικό επίπεδο για τον προσδιορισμό των αποτελεσμάτων της κβαντικής διεμπλοκής. Εάν ισχύει η ανισότητα αυτή, τότε η διεμπλοκή θα μπορούσε να εξηγηθεί με καθαρά τοπικά φαινόμενα. Σε περίπτωση που παραβιάζεται, πρέπει να συμβαίνει κάποιο ποσό μη τοπικότητας (αλληλεπίδραση δύο σωματιδίων από μακριά), όπως προβλέπει το καθιερωμένο μοντέλο της κβαντομηχανικής. 

1972: Οι ερευνητές Stuart Freedman και John Clauser του Berkeley εξετάζουν πειραματικά το θεώρημα του Bell μετρώντας τις πολώσεις ενός ζεύγους φωτονίων. Αν και η ομάδα αυτή βρήκε ότι η ανισότητα πράγματι παραβιάζεται, υπήρχαν κάποια κενά στο πείραμα τους. 

1982: Ο Γάλλος φυσικός Alain Aspect εκτελεί μια ακόμη πιο ισχυρή δοκιμασία της διεμπλοκής, επιβεβαιώνοντας ότι υπάρχουν μη τοπικά αποτελέσματα. 

Αlain Aspect: ο άνθρωπος που απέδειξε πειραματικά ότι ο Θεός παίζει ζάρια
Tο 1935, ο Einstein εξαπολύει την τελική του επίθεση εναντίον της κβαντομηχανικής διατυπώνοντας το παράδοξο EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) αμφισβητώντας ότι η κβαντομηχανική μπορεί να περιγράψει την πραγματικότητα και ότι πρόκειται για μια ατελή θεωρία.
Σύμφωνα με τους EPR, ήταν αναγκαία η εισαγωγή κάποιων επιπλέον μεταβλητών (οι περίφημες «κρυμμένες μεταβλητές») που θα εξαφάνιζαν την απροσδιοριστία και την μη-τοπικότητα της κβαντομηχανικής.
Ο John Stewart Bell (1928 – 1990), ένας φυσικός από τη Βόρεια Ιρλανδία, με την διατύπωση του θεωρήματος Bell, έβαλε ταφόπλακα σε κάθε θεωρία κρυμμένων μεταβλητών, ενώ ο Alain Aspect – Γάλλος φυσικός, γεννημένος το 1947 στις αρχές του 1980 επιβεβαίωσε πειραματικά τη θεωρία του Bell.

1984: Ο Charles Bennett μαζί με τον Gilles Brassard προτείνουν ένα θεωρητικό σύστημα για την κβαντική κρυπτογραφία, η οποία θα χρησιμοποιεί φωτόνια σε μια υπέρθεση καταστάσεων για να δημιουργήσουν ένα ασφαλές κρυπτογραφικό κλειδί. 

1990: Ο Charles Bennett με τους συνεργάτες του αναφέρουν την πρώτη διανομή ενός πειραματικού κβαντικού κλειδιού. 

1993: Ο Bennett προτείνει ότι η διεμπλοκή μπορεί, κατ ‘αρχήν, να χρησιμοποιηθεί για την τηλεμεταφορά κβαντικών πληροφοριών ενός σωματιδίου από το ένα μέρος στο άλλο. 

1997: Ο Αυστριακός κβαντικός φυσικός Anton Zeilinger και οι συνεργάτες του αναφέρουν στο περιοδικό Nature, την πρώτη πειραματική επαλήθευση της κβαντικής τηλεμεταφοράς. 

2007: Ο Anton Zeilinger και οι συνάδελφοι επιχείρησαν να στείλουν πεπλεγμένα φωτόνια σε μια απόσταση ρεκόρ 144 χιλιομέτρων, ανάμεσα σε δύο από τις Καναρίους Νήσους και το κατάφεραν. Λίγο μετά ο Chao-Yang Lu έκανε διεμπλοκή σε έξι φωτόνια, έναν αριθμό ρεκόρ. 

2010: Οι ερευνητές παρατηρούν νέα είδη εμπλοκής στην περίπτωση  ταυτόχρονης διασύνδεσης πολλών αντικειμένων με κβαντικό τρόπο. Η κβαντική πληροφορία τηλεμεταφέρθηκε στην απόσταση ρεκόρ των 16 χιλιομέτρων, ενώ ερευνητικές ομάδες βρίσκουν καλύτερους τρόπους για τη δημιουργία και τον έλεγχο πεπλεγμένων αντικειμένων.

2017: Παρατηρείται, όπως έδειξε μια ομάδα Κινέζων ερευνητών, κβαντική διεμπλοκή σε απόσταση-ρεκόρ των 1200 χιλιομέτρων, μέσω του κινεζικού δορυφόρου Micius ο οποίος είχε ειδικό εξοπλισμό για κβαντικά πειράματα, επικοινωνώντας με τρεις διαφορετικούς επίγειους σταθμούς, κάνοντας ένα σημαντικό βήμα για το «κβαντικό» διαδίκτυο (εργασία). Η εργασία αυτή είχε επικεφαλής τον καθηγητή κβαντικής φυσικής Τζιάν-Γουέι Παν του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Χεφέι.   Δηλαδή αποδείχτηκε ότι υπάρχει δυνατότητα τα σωματιδίων να επικοινωνούν μέσω μιας κβαντικής διεμπλοκής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην εφαρμογή μετάδοσης κρυπτογραφημένων πληροφοριών από το ένα μέρος της Γης στο άλλο. Αυτό θα μπορεί να γίνεται μέσω ασφαλών κβαντικών διαύλων χωρίς να μπορεί κάποιος να υποκλέψει πληροφορίες. 

2018: Δύο νέες μελέτες ανέφεραν κβαντική διεμπλοκή σε συσκευές σχεδόν ορατές με γυμνό μάτι!

 Συγκεκριμένα, ο Simon Gröblacher, κβαντικός φυσικός στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Delft στην Ολλανδία και οι συνεργάτες του, κατασκεύασαν δέσμες μήκους περίπου 10 μικρο-μέτρων πάνω σε τσιπς πυριτίου (εργασία) σε απόσταση 20 εκατοστών. Οι δέσμες, περίπου στο μέγεθος ενός βακτηριδίου, μπορούσαν να ταλαντεύονται πάνω-κάτω σαν μια χορδή κιθάρας. Οι ερευνητές συνέδεσαν τα τσιπς με μια οπτική ίνα και ολόκληρη αυτή η πειραματική διάταξη ψύχθηκε κοντά στο απόλυτο μηδέν για να εξουδετερωθούν οι τυχόν κραδασμοί. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας έξυπνα ελεγχόμενους παλμούς λέιζερ προσέθεσαν αρκετή ενέργεια για να δονηθεί μια δέσμη λίγο πιο έντονα από την άλλη. Μετρώντας το φως που εξέπεμψε η διάταξη, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι επετεύχθη αύξηση της ενέργειας, αλλά δεν γνώριζαν ποια δέσμη από τις δυο πήρε την ενέργεια, πράγμα που σήμαινε ότι η προστιθέμενη ενέργεια ήταν κοινή και για τις δύο δέσμες -το σήμα κατατεθέν της κβαντικής διεμπλοκής το οποίο διήρκεσε μόνο ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.
Σε ένα δεύτερο επίσης πολύ ενδιαφέρον πείραμα, που δημοσιεύθηκε επίσης στο περιοδικό Nature (εργασία) ο Mika Sillanpää καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Aalto της Φινλανδίας και η ομάδα του, υιοθέτησαν μια διαφορετική προσέγγιση, κατασκευάζοντας ζεύγη αλουμινένιων κυλίνδρων ή δονητικών δίσκων, περίπου όσο το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας πάνω σε ένα τσιπ πυριτίου. Μετά την ψύξη της ρύθμισης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μικροκύματα για να ωθήσουν τις κεφαλές των κυλίνδρων σε συσχετισμένες κινήσεις – δηλ. καθώς ο ένας κινούνταν πάνω-κάτω ο άλλος έκανε το αντίθετο. Μια δεύτερη σειρά παλμών μικροκυμάτων ανέλυε τις κινήσεις των σημάτων και βρέθηκε ότι οι μικροσκοπικοί αυτοί δίσκοι μοιράζονταν την ίδια κβαντική κατάσταση. Εν αντιθέσει με το προαναφερόμενο πείραμα που διήρκεσε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, η συγκεκριμένη ερευνητική ομάδα έδειξε ότι η παρατηρούμενη διεμπλοκή μπορεί να διαρκέσει επ ’αόριστον -εφόσον οι δίσκοι βομβαρδίζονται από μικροκύματα.
Τα δύο αυτά πειράματα έχουν πολύ ενδιαφέρουσες πιθανές εφαρμογές. Ο Gröblacher και η ομάδα του σχεδίασαν τις δέσμες που αναφέραμε παραπάνω ώστε να δονούνται με τον ίδιο ρυθμό καθώς αποστέλλεται φως μέσω οπτικών ινών και ούτως ώστε να είναι συμβατές με τα υπάρχοντα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Η εγκατάσταση αυτή είναι “εντελώς μηχανική” και εάν μπορέσουν να θέσουν το φαινόμενο της κβαντικής διαπλοκής ώστε να διαρκεί περισσότερο καθώς αυξάνεται και η απόσταση μεταξύ των τσιπς, τότε πολύ πιθανόν να έχουμε σύντομα συσκευές που να χρησιμεύουν ως κόμβοι σε ένα ενδεχόμενο κβαντικό διαδίκτυο, που θα μπορούσε να μεταδώσει εξαιρετικά ασφαλή πληροφορία μεταξύ των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών.
Από την άλλη πλευρά το δεύτερο πείραμα του Sillanpää και των συνεργατών του μπορεί να έχει επίσης πολύ σημαντικές εφαρμογές σε μετρήσεις εξαιρετικής ακρίβειας και αυτό γιατί οι κβαντικοί αισθητήρες είναι τόσο ευαίσθητοι, ώστε μπορούν να ανιχνεύσουν εξαιρετικά αδύναμα σήματα, όπως αυτά των βαρυτικών κυμάτων. Αν λοιπόν στο εγγύς μέλλον οι συσκευές αυτές γίνουν μεγαλύτερες, δηλαδή πρακτικότερες, θα μπορούν να τεστάρουν τις θεωρίες βαρύτητας που επεκτείνουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν στην κβαντική σφαίρα των θεωριών, συνδέοντας έτσι δύο σημαντικές θεωρίες της φυσικής που έχουν παραμείνει πεισματικά αγεφύρωτες.
Οπότε όπως είδαμε παραπάνω τα πειράματα που διεξάγονται στα ερευνητικά κέντρα αρχίζουν και γεφυρώνουν το χάσμα ανάμεσα στον εξωπραγματικό κόσμο της κβαντομηχανικής και την ντετερμινιστική φυσική πραγματικότητα, την οποία όλοι αντιλαμβανόμαστε με την καθημερινή εμπειρία μας. 


ΜΙΑ  ΑΠΙΘΑΝΗ  ΘΕΩΡΙΑ  ΕΝΟΣ  ΙΤΑΛΟΥ  


Σύμφωνα τώρα με κάποιες περαιτέρω θεωρητικές μελέτες πάνω στην θεωρία της κβαντικής διεμπλοκής, ενδιαφέρον είναι να αναφέρουμε και μια εργασία του Lorenzo Maccone, Ιταλού ερευνητή στο ΜΙT (εργασία) που υποστηρίζει ότι όλοι μας βλέπουμε γύρω μας περίεργα πράγματα, όπως π.χ. σπασμένα τζάμια που ξαφνικά αυτο-επιδιορθώνονται παρ’ όλο που αυτό δεν είναι δυνατό βάσει του 2ου Νόμου της Θερμοδυναμικής, τα οποία απλά δεν τα θυμόμαστε!
Όπως υποστηρίζεται με μαθηματικούς υπολογισμούς, όταν κοιτάζουμε γύρω μας η μνήμη μας βρίσκεται σε μια ″κβαντική διεμπλοκή″ με το περιβάλλον μας. Ο παρατηρητής δηλαδή που παρατηρεί ένα αντικείμενο και “εμπλέκεται” κβαντικά με αυτό, αυξάνει τις πληροφορίες που εισρέουν στον εγκέφαλό του, την ίδια στιγμή που μικραίνει η πληροφορία και αυξάνεται η εντροπία στο αντικείμενο που παρατηρεί. Όταν όμως “απ-εμπλεκόμαστε” από αυτό, διαγράφεται η μνήμη του παρατηρητή.
Οι μαθηματικές εξισώσεις δείχνουν ξεκάθαρα ότι η φύση φαίνεται τόσο στο μικρο-επίπεδο όσο και στο μακρο-επίπεδο να συμπεριφέρεται κβαντικά επειδή τελικά το σύμπαν δεν δείχνει να είναι ενιαίο, αλλά ένα πολύ-σύμπαν αποτελούμενο από πολλά παράλληλα σύμπαντα. Σε κάποια από αυτά τα σύμπαντα, που το μυαλό μας “διαγράφει” τα σπασμένα τζάμια, αυτά ξανακολλάνε μόνα τους.   

Η κβαντική διεμπλοκή των προσώπων με το περιβάλλον τους βέβαια δεν μπορεί να αποδειχθεί εμπειρικά, a posteriori δηλαδή, παρά μόνο σε μερικές σελίδες μαθηματικών αποδείξεων. Παρόλα αυτά νευρο-επιστήμονες σε συνεργασία με κβαντικούς φυσικούς οραματίζονται την κβαντική διεμπλοκή των ανθρώπων σε ένα είδος μεταβίβασης της σκέψης…

Οι έρευνες συνεχίζονται και τα επόμενα χρόνια φαίνεται να είναι πολύ ενδιαφέροντα γύρω από τα το μυστήρια της “στοιχειωμένης” κβαντικής διεμπλοκής. 

ΜΙΑ  ΣΥΝΕΠΕΙΑ,  ΤΑ  ΔΙΠΛΑ  ΠΑΡΑΛΛΗΛΑ  ΣΥΜΠΑΝΤΑ:
  Όταν ένα υπατομικό σωματίδιο αλληλεπιδρά από απόσταση με ένα άλλο και ταυτοχρόνως αποτελούν και τα δύο συστατικά κάποιας ύλης, δηλαδή κάποιου αντικειμένου, τότε υπάρχουν και δύο σύμπαντα, που το ένα είναι αντανάκλαση του άλλου, ανεξαρτήτως της τυχαιότητας στην επίδραση και της προβλεψιμότητας (αρχή απροσδιοριστίας).

ΖΗΝΩΝ  ΠΑΠΑΖΑΧΟΣ