Οι χειριστές του Κβαντικού Βασιλείου θερίζουν το Νόμπελ Δόξα
Τις τελευταίες δύο δεκαετίες έγινε μάρτυρας μιας θαλάσσιας αλλαγής στην κβαντική φυσική. Προηγουμένως, οι επιστήμονες βασίζονταν στους περίεργους κανόνες της κβαντικής θεωρίας κυρίως για να εξηγήσουν την περίεργη φυσική συμπεριφορά των μαζών των ατόμων και άλλων κβαντικών σωματιδίων όπως τα φωτόνια. Όλο και περισσότερο, ωστόσο, οι φυσικοί εκμεταλλεύονται αυτούς τους κανόνες για να δημιουργήσουν λεπτές κβαντικές καταστάσεις μεμονωμένων σωματιδίων και να κάνουν νέα πράγματα με αυτά. Το φετινό βραβείο Νόμπελ φυσικής τιμά δύο πειραματιστές που βοήθησαν να ανοίξει αυτό το μονοπάτι.
Ο Serge Haroche, 68, από το Collège de France και την École Normale Supérieure, και οι δύο στο Παρίσι, πρωτοστάτησε στη γλυπτική μιας κβαντικής κατάστασης φωτός και στον έλεγχο των αλληλεπιδράσεών της με ένα μόνο άτομο. Ο David Wineland, ο οποίος είναι επίσης 68 ετών, του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας στο Boulder του Κολοράντο, ανέπτυξε τεχνικές για τον έλεγχο μεμονωμένων φορτισμένων ατόμων ή ιόντων και έδειξε πώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση υπολογισμών.
Τέτοιες εργασίες έχουν ανοίξει μια νέα σφαίρα κβαντικής έρευνας, λέει ο Ignacio Cirac, θεωρητικός στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής Max Planck στο Garching της Γερμανίας. «Πριν από σαράντα χρόνια δεν ήταν καν σαφές ότι η κβαντική μηχανική θα ίσχυε για μεμονωμένα σωματίδια επειδή είναι μια στατιστική θεωρία», λέει ο Cirac. «Άνοιξαν την πόρτα στη μελέτη μεμονωμένων κβαντικών συστημάτων».
Ο Haroche βοήθησε να γίνει πρωτοπόρος στο πεδίο της «κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κοιλότητας», στο οποίο σωματίδια φωτός, ή φωτόνια, παγιδεύονται ανάμεσα σε δύο κάτοπτρα που σχηματίζουν μια λεγόμενη οπτική κοιλότητα. Οι ερευνητές μπορούν να συντονίσουν με ακρίβεια την κβαντική κατάσταση αυτού του φωτός, για παράδειγμα, βάζοντάς το σε μια λεγόμενη κατάσταση Fock που αποτελείται από έναν καθορισμένο αριθμό φωτονίων, αλλά δεν έχει τις συνήθεις ιδιότητες ενός κλασικού κύματος φωτός. Αυτή η κατάσταση μπορεί να ανιχνευθεί και να μετρηθεί στέλνοντας ένα μόνο άτομο μέσα από την κοιλότητα έτσι ώστε να αλληλεπιδρά με το φως.
Μεταξύ άλλων, ο Haroche και οι συνεργάτες του επέδειξαν για πρώτη φορά ένα ανάλογο ίσως της πιο περίεργης και πιο γνωστής από τις κβαντικές καταστάσεις:την κατάσταση της γάτας του Schrödinger. Η κβαντική θεωρία επιτρέπει σε ένα φυσικό σύστημα να βρίσκεται σε δύο αμοιβαία αποκλειόμενες καταστάσεις ταυτόχρονα, και το 1935 ο Αυστριακός θεωρητικός Erwin Schrödinger ονειρεύτηκε ένα σχέδιο στο οποίο αυτή η ιδιότητα αναγκάζει μια γάτα που κρύβεται σε ένα κουτί να είναι ζωντανή και νεκρή ταυτόχρονα. (Μόλις ανοίξει το κουτί, η κβαντική κατάσταση «καταρρέει» έτσι ώστε η γάτα να βρεθεί είτε νεκρή είτε ζωντανή.) Το 1996, ο Haroche και οι συνεργάτες του δημιούργησαν μια παρόμοια κατάσταση φωτός με δύο κατευθύνσεις. «Ήταν ένα από τα πιο συναρπαστικά πειράματα που έχω δει ποτέ και είναι στην πραγματικότητα ο λόγος που βρίσκομαι σε αυτόν τον τομέα», λέει ο Benjamin Varcoe, κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Leeds στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Αντίθετα, ο Wineland και η ομάδα του ανέπτυξαν μυριάδες τεχνικές για την παγίδευση και τον έλεγχο μεμονωμένων ιόντων. Αν και τα παγιδευμένα ιόντα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή πολύ καλύτερων ατομικών ρολογιών, η πραγματική έλξη της δουλειάς του Wineland είναι ότι θα μπορούσε κάποια μέρα να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή που θα μπορούσε να λύσει ορισμένα προβλήματα που θα κατακλύζουν έναν κλασικό υπολογιστή. «Ο Ντέιβιντ έχει πραγματικά καταλήξει σε όλες τις πρώτες μεγάλες προόδους σε αυτόν τον τομέα», λέει ο Γουίνφριντ Χένσινγκερ από το Πανεπιστήμιο του Σάσεξ στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Τα ιόντα περιστρέφονται σαν μικρές κορυφές και, χρησιμοποιώντας λέιζερ, οι ερευνητές μπορούν να ελέγξουν την κατάσταση περιστροφής ενός ιόντος, ακόμη και να το θέσουν σε λεπτές κβαντικές καταστάσεις αμφίδρομης και ταυτόχρονα. Ο Wineland και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν τεχνικές για να μεταφέρουν τις πληροφορίες σε αυτή την κβαντική κατάσταση στο κούνημα του ιόντος στο ηλεκτρικό πεδίο που το συγκρατεί και ακόμη και να κάνουν τα γειτονικά ιόντα να αλληλεπιδρούν και να επικοινωνούν. Χρησιμοποιώντας τέτοιες τεχνικές, οι ερευνητές μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν ένα μεμονωμένο ιόν τρεμούλας ως «πύλη» που εκτελεί μια στοιχειώδη λειτουργία στη λογική, όπως ανέφεραν το 1995.
Αυτή η πρόοδος έδειξε τη δυνατότητα ανάπτυξης ενός κβαντικού υπολογιστή στον οποίο τα συνηθισμένα bit - τα οποία μπορούν να ρυθμιστούν είτε στο 0 είτε στο 1 - αντικαθίστανται με "qubits", τα οποία μπορούν να ρυθμιστούν σε 0, 1 ή και τα δύο ταυτόχρονα. Ένας πλήρης κβαντικός υπολογιστής απέχει ακόμη χρόνια, αλλά οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει έως και 15 ιόντα μαζί για να κάνουν υπολογισμούς. Αυτό είναι περίπου το ένα τέταρτο αυτού που χρειάζεται για να ξεπεράσει ένας κβαντικός υπολογιστής έναν κλασικό υπολογιστή για κάποια περιορισμένα προβλήματα, λέει ο Hensinger.
Όπως συμβαίνει με πολλά βραβεία Νόμπελ, οι παρατηρητές λένε ότι και άλλοι ερευνητές ίσως άξιζαν το βραβείο. Στον τομέα της παγίδευσης ιόντων, τόσο ο Κρίστοφερ Μονρόε από το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, το Κολλέγιο Παρκ, όσο και ο Ράινερ Μπλατ του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία έχουν επίσης συνεισφέρει θεμελιώδεις, λέει ο Hensinger. Στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλότητας, ο Jeff Kimble του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στην Πασαντένα και ο αείμνηστος Herbert Walther του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Max Planck ήταν επίσης καθοδηγητικά φώτα, λέει ο Varcoe.
Το φετινό βραβείο υπογραμμίζει την εξέλιξη της κβαντικής φυσικής. Στις δεκαετίες του 1920 και του 1930, πολλά βραβεία Νόμπελ τίμησαν την ανακάλυψη των αρχών της κβαντικής μηχανικής. Οι φετινοί νικητές δεν ανακάλυψαν νέες αρχές, αλλά βρήκαν νέους τρόπους να εκμεταλλευτούν την καθιερωμένη θεωρία, λέει ο Cirac. «Η θεωρία είναι η ίδια όπως την καταλάβαμε πάντα», λέει. «Τώρα προσπαθούμε να το χρησιμοποιήσουμε» για να κάνουμε νέα πράγματα.
