Το Trio που απέδειξε την κβαντική μηχανική είναι πραγματικά περίεργο - και χρήσιμο - τιμημένο
Σε μια αναφορά που περίμεναν πολλοί φυσικοί εδώ και δεκαετίες, το φετινό Νόμπελ Φυσικής τιμά τρεις ερευνητές που διερεύνησαν ένα περίεργο κβαντομηχανικό φαινόμενο που ονομάζεται εμπλοκή, ανοίγοντας το δρόμο για τα αναπτυσσόμενα πεδία των κβαντικών επικοινωνιών και των κβαντικών υπολογιστών.
Δύο από αυτούς, ο John Clauser του J.F. Clauser &Associates και ο Alain Aspect του Πανεπιστημίου Paris-Saclay και του Πολυτεχνικού Ινστιτούτου του Παρισιού, απέδειξαν την κβαντική διαπλοκή - την οποία ο Albert Einstein χλεύασε ως «απόκοσμη δράση από απόσταση» - δεν μπορεί να εξηγηθεί με περισσότερα διαισθητική κλασική φυσική. Ο τρίτος, ο Anton Zeilinger του Πανεπιστημίου της Βιέννης, έδειξε πώς η εμπλοκή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για, για παράδειγμα, «τηλεμεταφορά» πληροφοριών από το ένα υποατομικό σωματίδιο στο άλλο. Οι τρεις μοιράζονται εξίσου το έπαθλο των 10 εκατομμυρίων σουηδικών κορωνών (915.000 $).
«Είμαι απόλυτα ενθουσιασμένος», λέει ο Adrian Kent, κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. «Η αναγνώριση είναι καθυστερημένη για αυτούς τους γίγαντες του χώρου». Ο Ronald Hanson, ένας κβαντικός φυσικός στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ, λέει:«Είναι ένα όμορφο βραβείο». Το έργο των βραβευθέντων «έχει ουσιαστικά ανοίξει ολόκληρο το πεδίο της κβαντικής επιστήμης και τεχνολογιών της πληροφορίας», λέει.
Η ιστορία της διαπλοκής εκτείνεται πίσω στο 1935 και στη δυσαρέσκεια του Αϊνστάιν με την ενδεχόμενη φύση της κβαντικής μηχανικής. Η κβαντική θεωρία δηλώνει ότι οι ιδιότητες ενός αντικειμένου όπως ένα ηλεκτρόνιο εξαρτώνται από τον τρόπο μέτρησης του πράγματος. Μετρήστε με ακρίβεια τη θέση του ηλεκτρονίου και η ορμή του γίνεται αβέβαιη και απρόβλεπτη και το αντίστροφο. Άρα μπορεί να έχει συγκεκριμένη θέση ή ορμή, αλλά όχι και τα δύο. Ο Αϊνστάιν επέμεινε ότι η θέση και η ορμή ενός σωματιδίου θα έπρεπε να είναι «στοιχεία της πραγματικότητας» που υπάρχουν ανεξάρτητα από τη μέτρηση. Πρότεινε πίσω από το πέπλο της κβαντικής αβεβαιότητας, οι «κρυφές μεταβλητές» να προκαθορίζουν αυτές τις τιμές.
Το 1964, ο Βρετανός θεωρητικός Τζον Μπελ πρότεινε μια δοκιμή αυτής της ιδέας. Ο Bell σημείωσε ότι δύο κβαντικά σωματίδια μπορούν να μπερδευτούν έτσι ώστε, παρόλο που η κατάσταση κάθε μεμονωμένου σωματιδίου είναι αβέβαιη, οι δύο καταστάσεις τους συσχετίζονται πλήρως. Για παράδειγμα, ένα φωτόνιο μπορεί να πολωθεί οριζόντια, κατακόρυφα ή —σύμφωνα με την κβαντομηχανική— και με τους δύο τρόπους ταυτόχρονα, γεγονός που αφήνει την πόλωσή του αβέβαιη. Ωστόσο, δύο φωτόνια μπορούν να εμπλακούν έτσι ώστε, παρόλο που η πόλωση του καθενός είναι αβέβαιη, είναι εγγυημένο ότι θα πολωθούν με τον ίδιο τρόπο.
Σε γενικές γραμμές, ο Μπελ φαντάστηκε δύο παρατηρητές, την Αλίκη και τον Μπομπ, να μοιράζονται μπερδεμένα ζεύγη φωτονίων και να συγκρίνουν τις μετρήσεις τους. Καθένας έχει έναν αναλυτή πόλωσης που μπορεί να προσανατολιστεί τυχαία και όταν οι δύο αναλυτές δεν είναι ευθυγραμμισμένοι, οι συσχετίσεις μεταξύ των μετρήσεων της Alice και του Bob πέφτουν σε λιγότερο από 100%. Ωστόσο, ο Bell έδειξε ότι εάν οι κρυφές μεταβλητές καθορίζουν το αποτέλεσμα των μετρήσεών τους, οι υπόλοιπες συσχετίσεις μπορεί να είναι τόσο ισχυρές. Όμως, η κβαντομηχανική προβλέπει ότι θα είναι ισχυρότεροι. Εάν οι πειραματιστές μπορούσαν να παρατηρήσουν αυτούς τους συσχετισμούς, τότε, παραδόξως, θα μπορούσαν να διαψεύσουν την ύπαρξη κρυφών μεταβλητών.
Το 1969, ο Clauser, τότε στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, ηγήθηκε μιας ομάδας που βελτίωσε τη γενική ιδέα του Bell έτσι ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα πραγματικό πείραμα με άτομα ασβεστίου. Το 1972, αυτός και ένας άλλος συνάδελφός του πραγματοποίησαν το πείραμα, παρατήρησαν τους εξαιρετικά ισχυρούς συσχετισμούς που προέβλεπε η κβαντική θεωρία και παρείχαν μια πρώτη δοκιμή του θεωρήματος του Bell.
Τέτοια πειράματα είναι δύσκολα, ωστόσο, καθώς απαιτούν τον αποκλεισμό όλων των επιρροών που θα μπορούσαν να επιτρέψουν στην έξοδο του ενός αναλυτή να επηρεάσει αυτό του άλλου και να παράγει ψευδείς συσχετισμούς. Στη δεκαετία του 1980, ο Aspect και η ομάδα του πραγματοποίησαν πολύ εκλεπτυσμένες εκδόσεις των πειραμάτων, συμπεριλαμβανομένων τροποποιήσεων όπως η αποτελεσματική επιλογή των προσανατολισμών των αναλυτών μόνο στα νανοδευτερόλεπτα μετά την εκπομπή των φωτονίων. Ωστόσο, μόλις το 2015 ο Hanson και η ομάδα του πραγματοποίησαν ένα λεγόμενο πείραμα χωρίς παραθυράκια.
Εάν ο Clauser και ο Aspect χρησιμοποίησαν τη διαπλοκή για να αποδείξουν ότι η κβαντομηχανική είναι τόσο περίεργη όσο διαφημίζεται, ο Zeilinger πρωτοστάτησε στη χρήση της ως εργαλείο. Για παράδειγμα, το 1998, η ομάδα του έδειξε πώς θα μπορούσαν να χρειαστούν δύο ζεύγη εμπλεκόμενων φωτονίων και να ανταλλάξουν τη εμπλοκή έτσι ώστε ένα φωτόνιο από το πρώτο ζεύγος να καταλήγει μπλεγμένο με ένα φωτόνιο από το δεύτερο - μια τεχνική που θα μπορούσε να αποδειχθεί απαραίτητη για τη σύνδεση απομακρυσμένων κόμβων σε ένα κβαντικό διαδίκτυο που δεν μπορεί να παραβιαστεί. Η ομάδα του Zeilinger έδειξε επίσης ότι μπορούσε να χρησιμοποιήσει ένα βοηθητικό μπερδεμένο ζεύγος φωτονίων για να μεταφέρει άμεσα ή να «τηλεμεταφέρει» την ακριβή κβαντική κατάσταση ενός φωτονίου σε άλλο.
Τέτοιες εργασίες δημιούργησαν την ανάπτυξη της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας και των κβαντικών υπολογιστών, ραγδαία πεδία που επιδιώκουν να χρησιμοποιήσουν τη διαπλοκή και άλλα εφέ για να εκτελέσουν τεχνολογικά επιτεύγματα που δεν ήταν εφικτά με την κλασική ηλεκτρονική. Τέτοιες δυνατότητες δεν ήταν σχεδόν σαφείς πριν από δεκαετίες, σημειώνει ο Jian-Wei Pan, κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, ο οποίος ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής του Zeilinger τη δεκαετία του 1990. «Πριν από πολλά χρόνια, οι άνθρωποι δεν πίστευαν ότι οι κβαντικές πληροφορίες ήταν πραγματική επιστήμη», λέει. «Δεν άρεσε στους επιστήμονες της πληροφόρησης και στους καθαρούς βασικούς ερευνητές δεν άρεσε επίσης». Τώρα, είναι ίσως η πιο καυτή περιοχή στη φυσική.
Όσο το φετινό βραβείο γιορτάζει τις δυνατότητες της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας, υπογραμμίζει επίσης ένα βραβείο που δεν απονεμήθηκε ποτέ. «Ο Τζον Μπελ έπρεπε να είχε αναγνωριστεί» με βραβείο Νόμπελ, λέει ο Παν. «Δυστυχώς, η κβαντική επιστήμη της πληροφορίας δεν είχε ακόμη εμφανιστεί όταν πέθανε». Ο Μπελ πέθανε το 1990 σε ηλικία 62 ετών.
