Το τρομακτικό κβαντικό φαινόμενο που δεν έχετε ακούσει ποτέ
Ίσως το πιο περίεργο χαρακτηριστικό της κβαντικής μηχανικής είναι η μη τοπικότητα:Μετρήστε ένα σωματίδιο σε ένα μπερδεμένο ζεύγος του οποίου ο σύντροφος βρίσκεται μίλια μακριά και η μέτρηση φαίνεται να διασχίζει τον ενδιάμεσο χώρο για να επηρεάσει στιγμιαία τον σύντροφό του. Αυτή η «απόκοσμη δράση σε απόσταση» (όπως την ονόμασε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν) ήταν το κύριο επίκεντρο των δοκιμών της κβαντικής θεωρίας.
«Η μη τοπικότητα είναι θεαματική. Θέλω να πω, είναι σαν μαγεία», είπε ο Adán Cabello, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Σεβίλλης στην Ισπανία.
Αλλά ο Cabello και άλλοι ενδιαφέρονται να διερευνήσουν μια λιγότερο γνωστή αλλά εξίσου μαγική πτυχή της κβαντικής μηχανικής:τη συμφραζόμενη. Η συμφραστική λέει ότι οι ιδιότητες των σωματιδίων, όπως η θέση ή η πόλωσή τους, υπάρχουν μόνο στο πλαίσιο μιας μέτρησης. Αντί να θεωρείτε ότι οι ιδιότητες των σωματιδίων έχουν σταθερές τιμές, θεωρήστε τα περισσότερο σαν λέξεις στη γλώσσα, των οποίων οι έννοιες μπορούν να αλλάξουν ανάλογα με τα συμφραζόμενα:«Ο χρόνος πετάει σαν βέλος. Μύγες φρούτων σαν τις μπανάνες."
Αν και η συμφραζομένη ζει στη σκιά της μη τοπικότητας για περισσότερα από 50 χρόνια, οι κβαντικοί φυσικοί τη θεωρούν τώρα περισσότερο χαρακτηριστικό γνώρισμα των κβαντικών συστημάτων παρά η μη τοπικότητα. Ένα μεμονωμένο σωματίδιο, για παράδειγμα, είναι ένα κβαντικό σύστημα «στο οποίο δεν μπορείτε καν να σκεφτείτε τη μη τοπικότητα», αφού το σωματίδιο βρίσκεται μόνο σε μία τοποθεσία, είπε η Bárbara Amaral, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο στη Βραζιλία. "Οπότε [η συμφραζομένη] είναι γενικότερη από κάποια άποψη, και νομίζω ότι αυτό είναι σημαντικό για να κατανοήσουμε πραγματικά τη δύναμη των κβαντικών συστημάτων και να εμβαθύνουμε στο γιατί η κβαντική θεωρία είναι έτσι όπως είναι."
Οι ερευνητές βρήκαν επίσης δελεαστικούς δεσμούς μεταξύ της συμφραζομένης και των προβλημάτων που οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να λύσουν αποτελεσματικά και οι συνηθισμένοι υπολογιστές δεν μπορούν. Η διερεύνηση αυτών των συνδέσμων θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές στην ανάπτυξη νέων προσεγγίσεων και αλγορίθμων κβαντικών υπολογιστών.
Και με ανανεωμένο θεωρητικό ενδιαφέρον έρχεται μια ανανεωμένη πειραματική προσπάθεια να αποδείξουμε ότι ο κόσμος μας είναι πράγματι συμφραζόμενος. Τον Φεβρουάριο, ο Cabello, σε συνεργασία με τον Kihwan Kim στο Πανεπιστήμιο Tsinghua στο Πεκίνο της Κίνας, δημοσίευσαν μια εργασία στην οποία ισχυρίστηκαν ότι πραγματοποίησαν το πρώτο πειραματικό τεστ συμφραζομένων χωρίς παραθυράκια.
Η 117η κατεύθυνση
Ο βορειοϊρλανδός φυσικός John Stewart Bell πιστώνεται ευρέως ότι έδειξε ότι τα κβαντικά συστήματα μπορεί να είναι μη τοπικά. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των μετρήσεων δύο μπερδεμένων σωματιδίων, έδειξε με το ομώνυμο θεώρημά του του 1965 ότι ο υψηλός βαθμός συσχετίσεων μεταξύ των σωματιδίων δεν μπορεί να εξηγηθεί με όρους τοπικών «κρυφών μεταβλητών» που καθορίζουν τις ξεχωριστές ιδιότητες του καθενός. Οι πληροφορίες που περιέχονται στο μπερδεμένο ζεύγος πρέπει να μοιράζονται μη τοπικά μεταξύ των σωματιδίων.
Ο Bell απέδειξε επίσης ένα παρόμοιο θεώρημα σχετικά με την περιεκτικότητα. Αυτός και, χωριστά, οι Simon Kochen και Ernst Specker έδειξαν ότι είναι αδύνατο για ένα κβαντικό σύστημα να έχει κρυφές μεταβλητές που καθορίζουν τις τιμές όλων των ιδιοτήτων τους σε όλα τα πιθανά περιβάλλοντα.
Στην εκδοχή της απόδειξης των Kochen και Specker, εξέτασαν ένα μεμονωμένο σωματίδιο με μια κβαντική ιδιότητα που ονομάζεται σπιν, το οποίο έχει και μέγεθος και κατεύθυνση. Η μέτρηση του μεγέθους του σπιν σε οποιαδήποτε κατεύθυνση οδηγεί πάντα σε ένα από τα δύο αποτελέσματα:1 ή 0. Οι ερευνητές ρώτησαν στη συνέχεια:Είναι δυνατόν το σωματίδιο να «γνωρίζει» κρυφά ποιο θα είναι το αποτέλεσμα κάθε πιθανής μέτρησης πριν μετρηθεί; Με άλλα λόγια, θα μπορούσαν να εκχωρήσουν μια σταθερή τιμή — μια κρυφή μεταβλητή — σε όλα τα αποτελέσματα όλων των πιθανών μετρήσεων ταυτόχρονα;
Η κβαντική θεωρία λέει ότι τα μεγέθη των περιστροφών κατά μήκος τριών κάθετων κατευθύνσεων πρέπει να υπακούουν στον «κανόνα 101»:Τα αποτελέσματα δύο από τις μετρήσεις πρέπει να είναι 1 και η άλλη πρέπει να είναι 0. Ο Kochen και ο Specker χρησιμοποίησαν αυτόν τον κανόνα για να καταλήξουν σε μια αντίφαση. Πρώτον, υπέθεσαν ότι κάθε σωματίδιο είχε μια σταθερή, εγγενή τιμή για κάθε κατεύθυνση σπιν. Στη συνέχεια διεξήγαγαν μια υποθετική μέτρηση περιστροφής κατά μήκος κάποιας μοναδικής κατεύθυνσης, εκχωρώντας είτε 0 είτε 1 στο αποτέλεσμα. Στη συνέχεια, περιστρέφονταν επανειλημμένα την κατεύθυνση της υποθετικής μέτρησής τους και μετρούσαν ξανά, κάθε φορά είτε εκχωρώντας ελεύθερα μια τιμή στο αποτέλεσμα είτε συνάγοντας ποια πρέπει να είναι η τιμή προκειμένου να ικανοποιηθεί ο κανόνας 101 μαζί με τις οδηγίες που είχαν εξετάσει προηγουμένως.
Συνέχισαν μέχρι που, στην 117η κατεύθυνση, εμφανίστηκε η αντίφαση. Ενώ προηγουμένως είχαν εκχωρήσει μια τιμή 0 στο σπιν κατά μήκος αυτής της κατεύθυνσης, ο κανόνας 101 υπαγόρευε τώρα ότι η περιστροφή πρέπει να είναι 1. Το αποτέλεσμα μιας μέτρησης δεν θα μπορούσε ενδεχομένως να επιστρέψει τόσο το 0 όσο και το 1. Έτσι οι φυσικοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι υπάρχει σε καμία περίπτωση ένα σωματίδιο δεν μπορεί να έχει σταθερές κρυφές μεταβλητές που παραμένουν ίδιες ανεξάρτητα από το περιβάλλον.
Ενώ η απόδειξη έδειξε ότι η κβαντική θεωρία απαιτεί την ύπαρξη συμφραζομένων, δεν υπήρχε τρόπος να αποδειχθεί πραγματικά αυτό μέσω 117 ταυτόχρονων μετρήσεων ενός μόνο σωματιδίου. Οι φυσικοί έκτοτε έχουν επινοήσει πιο πρακτικές, πειραματικά εφαρμόσιμες εκδοχές του αρχικού θεωρήματος Bell-Kochen-Specker που περιλαμβάνει πολλαπλά μπερδεμένα σωματίδια, όπου μια συγκεκριμένη μέτρηση σε ένα σωματίδιο ορίζει ένα «πλαίσιο» για τα άλλα.
Ερώτηση προς ερώτηση
Το 2009, η συμφραζόμενη, μια φαινομενικά εσωτερική πτυχή του υποκείμενου ιστού της πραγματικότητας, έλαβε μια άμεση εφαρμογή:Μία από τις απλοποιημένες εκδοχές του αρχικού θεωρήματος Bell-Kochen-Specker αποδείχθηκε ότι ισοδυναμεί με έναν βασικό κβαντικό υπολογισμό.
Η απόδειξη, που ονομάστηκε το αστέρι του Μέρμιν από τον δημιουργό του, Ντέιβιντ Μέρμιν, εξέτασε διάφορους συνδυασμούς μετρήσεων που θα μπορούσαν να γίνουν σε τρία μπερδεμένα κβαντικά bit ή qubits. Η λογική του τρόπου με τον οποίο οι προηγούμενες μετρήσεις διαμορφώνουν τα αποτελέσματα των μεταγενέστερων μετρήσεων έχει γίνει η βάση για μια προσέγγιση που ονομάζεται κβαντικός υπολογισμός με βάση τις μετρήσεις. Η ανακάλυψη πρότεινε ότι η συνάφεια μπορεί να είναι το κλειδί για το γιατί οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να λύσουν ορισμένα προβλήματα πιο γρήγορα από τους κλασικούς υπολογιστές — ένα πλεονέκτημα που οι ερευνητές έχουν δυσκολευτεί πολύ να κατανοήσουν.
Ο Ρόμπερτ Ράουσεντορφ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας και πρωτοπόρος του κβαντικού υπολογισμού με βάση τις μετρήσεις, έδειξε ότι η συνάφεια είναι απαραίτητη για έναν κβαντικό υπολογιστή για να νικήσει τον κλασικό υπολογιστή σε ορισμένες εργασίες, αλλά δεν πιστεύει ότι είναι όλη η ιστορία. Το αν η συμφραζόμενη τροφοδοτεί τους κβαντικούς υπολογιστές είναι «πιθανώς δεν είναι ακριβώς η σωστή ερώτηση», είπε. «Αλλά πρέπει να φτάσουμε εκεί ερώτηση προς ερώτηση. Κάνουμε λοιπόν μια ερώτηση που καταλαβαίνουμε πώς να κάνουμε. παίρνουμε απάντηση. Κάνουμε την επόμενη ερώτηση."
Ένα τεστ χωρίς κενά
Μερικοί ερευνητές έχουν προτείνει κενά γύρω από το συμπέρασμα των Bell, Kochen και Specker ότι ο κόσμος είναι συμφραζόμενος. Υποστηρίζουν ότι οι κρυφές μεταβλητές ανεξάρτητες από το περιβάλλον δεν έχουν αποκλειστεί οριστικά.
Τον Φεβρουάριο, ο Cabello και ο Kim ανακοίνωσαν ότι είχαν κλείσει κάθε εύλογο κενό εκτελώντας ένα πείραμα Bell-Kochen-Specker "χωρίς παραθυράκια".
Το πείραμα περιελάμβανε τη μέτρηση των περιστροφών δύο παγιδευμένων ιόντων σε διάφορες κατευθύνσεις, όπου η επιλογή της μέτρησης στο ένα ιόν καθόριζε το πλαίσιο για το άλλο ιόν. Οι φυσικοί έδειξαν ότι, αν και η πραγματοποίηση μιας μέτρησης σε ένα ιόν δεν επηρεάζει φυσικά το άλλο, αλλάζει το πλαίσιο και ως εκ τούτου το αποτέλεσμα της μέτρησης του δεύτερου ιόντος.
Οι σκεπτικιστές θα ρωτούσαν:Πώς μπορείτε να είστε σίγουροι ότι το πλαίσιο που δημιουργήθηκε από την πρώτη μέτρηση είναι αυτό που άλλαξε το αποτέλεσμα της δεύτερης μέτρησης, αντί για άλλες συνθήκες που μπορεί να διαφέρουν από πείραμα σε πείραμα; Ο Cabello και ο Kim έκλεισαν αυτό το «παραθυράκι ευκρίνειας» εκτελώντας χιλιάδες σετ μετρήσεων και δείχνοντας ότι τα αποτελέσματα δεν αλλάζουν εάν δεν αλλάξει το πλαίσιο. Αφού απέκλεισαν αυτό και άλλα κενά, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η μόνη λογική εξήγηση για τα αποτελέσματά τους είναι η συνάφεια.
Ο Cabello και άλλοι πιστεύουν ότι αυτά τα πειράματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για να ελέγξουν το επίπεδο της συμφραζομένης — και επομένως, της ισχύος — των συσκευών κβαντικής υπολογιστικής.
"Αν θέλετε να καταλάβετε πραγματικά πώς λειτουργεί ο κόσμος", είπε ο Cabello, "πρέπει πραγματικά να μπείτε στη λεπτομέρεια της κβαντικής συμφραζομένης."
