Η πραγματικότητα δεν υπάρχει μέχρι να τη μετρήσετε, επιβεβαιώνει το τέχνασμα της κβαντικής αίθουσας
Η Σελήνη δεν είναι απαραίτητα εκεί αν δεν την κοιτάξεις. Έτσι λέει η κβαντομηχανική, η οποία δηλώνει ότι αυτό που υπάρχει εξαρτάται από το τι μετράτε. Η απόδειξη της πραγματικότητας συνήθως περιλαμβάνει τη σύγκριση των απόκρυφων πιθανοτήτων, αλλά οι φυσικοί στην Κίνα το έχουν πει με πιο ξεκάθαρο τρόπο. Έκαναν ένα παιχνίδι αντιστοίχισης στο οποίο δύο παίκτες αξιοποιούν τα κβαντικά εφέ για να κερδίζουν κάθε φορά — κάτι που δεν μπορούν αν οι μετρήσεις απλώς αποκαλύπτουν την πραγματικότητα όπως ήδη υπάρχει.
«Από όσο γνωρίζω αυτό είναι το απλούστερο [σενάριο] στο οποίο συμβαίνει αυτό», λέει ο Adan Cabello, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Σεβίλλης, ο οποίος διατύπωσε το παιχνίδι το 2001. Αυτή η κβαντική ψευδοτηλεπάθεια εξαρτάται από συσχετισμούς μεταξύ σωματιδίων που υπάρχουν μόνο στο κβαντικό βασίλειο, λέει η Anne Broadbent, επιστήμονας κβαντικής πληροφορίας στο Πανεπιστήμιο της Οττάβα. "Παρατηρούμε κάτι που δεν έχει κλασικό αντίστοιχο."
Ένα κβαντικό σωματίδιο μπορεί να υπάρχει σε δύο αμοιβαία αποκλειόμενες συνθήκες ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, ένα φωτόνιο μπορεί να πολωθεί έτσι ώστε το ηλεκτρικό πεδίο σε αυτό να στριφογυρίζει κατακόρυφα, οριζόντια ή και με τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα — τουλάχιστον μέχρι να μετρηθεί. Η αμφίδρομη κατάσταση τότε συμπτύσσεται τυχαία είτε σε κάθετη είτε σε οριζόντια. Είναι κρίσιμο, ανεξάρτητα από το πώς καταρρέει η αμφίδρομη κατάσταση, ένας παρατηρητής δεν μπορεί να υποθέσει ότι η μέτρηση απλώς αποκαλύπτει πώς το φωτόνιο ήταν ήδη πολωμένο. Η πόλωση εμφανίζεται μόνο με τη μέτρηση.
Αυτό το τελευταίο κομμάτι κατέστρεψε τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος πίστευε ότι κάτι σαν την πόλωση ενός φωτονίου θα έπρεπε να έχει μια τιμή ανεξάρτητη από το αν μετριέται. Πρότεινε ότι τα σωματίδια μπορεί να φέρουν «κρυφές μεταβλητές» που καθορίζουν πώς θα καταρρεύσει μια αμφίδρομη κατάσταση. Ωστόσο, το 1964, ο Βρετανός θεωρητικός John Bell βρήκε έναν τρόπο να αποδείξει πειραματικά ότι τέτοιες κρυφές μεταβλητές δεν μπορούν να υπάρχουν εκμεταλλευόμενοι ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως εμπλοκή.
Δύο φωτόνια μπορούν να μπερδευτούν έτσι ώστε το καθένα να βρίσκεται σε μια αβέβαιη αμφίδρομη κατάσταση, αλλά οι πολώσεις τους συσχετίζονται έτσι ώστε αν το ένα είναι οριζόντιο το άλλο πρέπει να είναι κατακόρυφο και το αντίστροφο. Η διερεύνηση της εμπλοκής είναι δύσκολη. Για να γίνει αυτό, η Αλίκη και ο Μπομπ πρέπει να έχουν ο καθένας μια συσκευή μέτρησης. Αυτές οι συσκευές μπορούν να προσανατολιστούν ανεξάρτητα, έτσι η Αλίκη μπορεί να ελέγξει αν το φωτόνιό της είναι πολωμένο οριζόντια ή κάθετα, ενώ ο Μπομπ μπορεί να αντέχει τον ανιχνευτή του υπό γωνία. Ο σχετικός προσανατολισμός των ανιχνευτών επηρεάζει πόσο συσχετίζονται οι μετρήσεις τους.
Ο Bell οραματίστηκε την Alice και τον Bob να προσανατολίζουν τους ανιχνευτές τους τυχαία σε πολλές μετρήσεις και στη συνέχεια να συγκρίνουν τα αποτελέσματα. Εάν οι κρυφές μεταβλητές καθορίζουν την πόλωση ενός φωτονίου, οι συσχετίσεις μεταξύ των μετρήσεων της Alice και του Bob μπορεί να είναι τόσο ισχυρές. Όμως, υποστήριξε, η κβαντική θεωρία τους επιτρέπει να είναι ισχυρότεροι. Πολλά πειράματα έχουν δει αυτούς τους ισχυρότερους συσχετισμούς και έχουν αποκλείσει κρυφές μεταβλητές, αν και μόνο στατιστικά σε πολλές δοκιμές.
Τώρα, ο Xi-Lin Wang και ο Hui-Tian Wang, φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Nanjing, και οι συνάδελφοί του έχουν καταστήσει το θέμα πιο ξεκάθαρα μέσω του παιχνιδιού Mermin-Peres. Σε κάθε γύρο του παιχνιδιού, η Αλίκη και ο Μπομπ μοιράζονται όχι ένα, αλλά δύο ζεύγη εμπλεκόμενων φωτονίων στα οποία μπορούν να κάνουν όποιες μετρήσεις θέλουν. Κάθε παίκτης έχει επίσης ένα πλέγμα τρία προς τρία και γεμίζει κάθε τετράγωνο σε αυτό με 1 ή -1 ανάλογα με το αποτέλεσμα αυτών των μετρήσεων. Σε κάθε γύρο, ένας διαιτητής επιλέγει τυχαία μία από τις σειρές της Αλίκης και μία από τις στήλες του Μπομπ, οι οποίες επικαλύπτονται σε ένα τετράγωνο. Αν η Αλίκη και ο Μπομπ έχουν τον ίδιο αριθμό σε αυτό το τετράγωνο, κερδίζουν τον γύρο.
Ακούγεται εύκολο:Η Αλίκη και ο Μπομπ βάζουν 1 σε κάθε τετράγωνο για να εγγυηθούν τη νίκη. Οχι τόσο γρήγορα. Οι πρόσθετοι κανόνες «ισοτιμίας» απαιτούν ότι όλες οι εγγραφές στη σειρά της Alice πρέπει να πολλαπλασιάζονται σε 1 και αυτές που βρίσκονται κάτω στη στήλη του Bob πρέπει να πολλαπλασιάζονται σε –1.
Εάν οι κρυφές μεταβλητές προκαθορίζουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων, η Αλίκη και ο Μπομπ δεν μπορούν να κερδίσουν κάθε γύρο. Κάθε πιθανό σύνολο τιμών για τις κρυφές μεταβλητές καθορίζει αποτελεσματικά ένα πλέγμα που έχει ήδη συμπληρωθεί με –1 και 1. Τα αποτελέσματα των πραγματικών μετρήσεων απλώς λένε στην Αλίκη ποια να διαλέξει. Το ίδιο ισχύει και για τον Μπομπ. Όμως, όπως φαίνεται εύκολα με το μολύβι και το χαρτί, κανένα πλέγμα δεν μπορεί να ικανοποιήσει τους κανόνες ισοτιμίας τόσο της Alice όσο και του Bob. Επομένως, τα πλέγματα τους πρέπει να διαφωνούν σε τουλάχιστον ένα τετράγωνο και κατά μέσο όρο μπορούν να κερδίσουν το πολύ οκτώ στους εννέα γύρους.
Η κβαντομηχανική τους αφήνει να κερδίζουν κάθε φορά. Για να το κάνουν αυτό, πρέπει να χρησιμοποιήσουν ένα σύνολο μετρήσεων που επινοήθηκαν το 1990 από τον Ντέιβιντ Μέρμιν, θεωρητικό στο Πανεπιστήμιο Κορνέλ, και τον Άσερ Πέρες, κάποτε θεωρητικό στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Ισραήλ. Η Αλίκη κάνει τις μετρήσεις που σχετίζονται με τα τετράγωνα στη σειρά που καθορίζονται από τον διαιτητή και ο Μπομπ, εκείνες για τα τετράγωνα στην καθορισμένη στήλη. Η διαπλοκή εγγυάται ότι συμφωνούν στον αριθμό στο τετράγωνο κλειδιού και ότι οι μετρήσεις τους υπακούουν επίσης στους κανόνες ισοτιμίας. Όλο το σχήμα λειτουργεί επειδή οι τιμές εμφανίζονται μόνο όταν γίνονται οι μετρήσεις. Το υπόλοιπο πλέγμα είναι άσχετο, καθώς δεν υπάρχουν τιμές για μετρήσεις που δεν κάνουν ποτέ η Αλίκη και ο Μπομπ.
Η δημιουργία δύο ζευγών εμπλεκόμενων φωτονίων ταυτόχρονα δεν είναι πρακτική, λέει ο Xi-Lin Wang. Αντίθετα, οι πειραματιστές χρησιμοποίησαν ένα μόνο ζεύγος φωτονίων που εμπλέκονται με δύο τρόπους—μέσω της πόλωσης και της λεγόμενης τροχιακής γωνιακής ορμής, η οποία καθορίζει εάν ένα φωτόνιο που μοιάζει με κύμα ανοίγει προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά. Το πείραμα δεν είναι τέλειο, αλλά η Αλίκη και ο Μπομπ κέρδισαν το 93,84% από τους 1.075.930 γύρους, υπερβαίνοντας το μέγιστο 88,89% με κρυφές μεταβλητές, αναφέρει η ομάδα σε μια μελέτη στον τύπο στο Physical Review Letters .
Άλλοι έχουν δείξει την ίδια φυσική, λέει ο Cabello, αλλά ο Xi-Lin Wang και οι συνεργάτες του «χρησιμοποιούν ακριβώς τη γλώσσα του παιχνιδιού, κάτι που είναι ωραίο». Η επίδειξη θα μπορούσε να έχει πρακτικές εφαρμογές, λέει.
Το Broadbent έχει κατά νου μια πραγματική χρήση:την επαλήθευση της εργασίας ενός κβαντικού υπολογιστή. Αυτό το έργο είναι ουσιαστικό αλλά δύσκολο γιατί ένας κβαντικός υπολογιστής υποτίθεται ότι κάνει πράγματα που ένας συνηθισμένος υπολογιστής δεν μπορεί. Ωστόσο, λέει ο Broadbent, εάν το παιχνίδι ήταν υφαντό σε ένα πρόγραμμα, η παρακολούθησή του θα μπορούσε να επιβεβαιώσει ότι ο κβαντικός υπολογιστής χειρίζεται τις μπερδεμένες καταστάσεις όπως θα έπρεπε.
Ο Xi-Lin Wang λέει ότι το πείραμα είχε σκοπό να δείξει κυρίως τις δυνατότητες της αγαπημένης τεχνολογίας της ομάδας - φωτόνια που εμπλέκονται τόσο στην πόλωση όσο και στη γωνιακή ορμή. "Θέλουμε να βελτιώσουμε την ποιότητα αυτών των υπερμπλεγμένων φωτονίων."
