Οι φυσικοί δημιουργούν κβαντική σύνδεση μεταξύ φωτονίων που δεν υπάρχουν ταυτόχρονα
Τώρα μας μπερδεύουν. Οι φυσικοί γνωρίζουν από καιρό ότι η κβαντομηχανική επιτρέπει μια λεπτή σύνδεση μεταξύ κβαντικών σωματιδίων που ονομάζεται εμπλοκή, στην οποία η μέτρηση ενός σωματιδίου μπορεί να θέσει αμέσως την κατά τα άλλα αβέβαιη κατάσταση, ή «κατάσταση» ενός άλλου σωματιδίου —ακόμα κι αν απέχει έτη φωτός. Τώρα, πειραματιστές στο Ισραήλ έχουν δείξει ότι μπορούν να μπερδέψουν δύο φωτόνια που δεν υπάρχουν καν την ίδια στιγμή.
«Είναι πραγματικά υπέροχο», λέει ο Jeremy O'Brien, πειραματιστής στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος δεν συμμετείχε στη δουλειά. Αυτή η χρονικά διαχωρισμένη εμπλοκή προβλέπεται από την τυπική κβαντική θεωρία, λέει ο O'Brien, "αλλά σίγουρα δεν εκτιμάται ευρέως και δεν ξέρω αν έχει διατυπωθεί ξεκάθαρα στο παρελθόν."
Η διαπλοκή είναι ένα είδος τάξης που κρύβεται μέσα στην αβεβαιότητα της κβαντικής θεωρίας. Ας υποθέσουμε ότι έχετε ένα κβαντικό σωματίδιο φωτός ή φωτόνιο. Μπορεί να πολωθεί έτσι ώστε να στριφογυρίζει είτε κάθετα είτε οριζόντια. Το κβαντικό βασίλειο είναι επίσης θολό με αναπόφευκτη αβεβαιότητα, και χάρη σε μια τέτοια κβαντική αβεβαιότητα, ένα φωτόνιο μπορεί επίσης να πολωθεί κατακόρυφα και οριζόντια ταυτόχρονα. Εάν στη συνέχεια μετρήσετε το φωτόνιο, ωστόσο, θα το βρείτε είτε οριζόντια πολωμένο είτε κατακόρυφα πολωμένο, καθώς η κατάσταση δύο κατευθύνσεων ταυτόχρονα «καταρρέει» τυχαία με τον ένα ή τον άλλο τρόπο.
Η εμπλοκή μπορεί να έρθει αν έχετε δύο φωτόνια. Κάθε ένα μπορεί να τεθεί στην αβέβαιη κατακόρυφη και οριζόντια κατάσταση. Ωστόσο, τα φωτόνια μπορούν να μπερδευτούν έτσι ώστε οι πολώσεις τους να συσχετίζονται ακόμη και όταν παραμένουν απροσδιόριστες. Για παράδειγμα, αν μετρήσετε το πρώτο φωτόνιο και το βρείτε οριζόντια πολωμένο, θα ξέρετε ότι το άλλο φωτόνιο έχει καταρρεύσει στιγμιαία στην κατακόρυφη κατάσταση και το αντίστροφο — ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι. Επειδή η κατάρρευση συμβαίνει ακαριαία, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ονόμασε το φαινόμενο «απόκοσμη δράση σε απόσταση». Ωστόσο, δεν παραβιάζει τη σχετικότητα:Είναι αδύνατο να ελεγχθεί το αποτέλεσμα της μέτρησης του πρώτου φωτονίου, επομένως ο κβαντικός σύνδεσμος δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να στείλει ένα μήνυμα ταχύτερα από το φως.
Τώρα ο Eli Megidish, ο Hagai Eisenberg και οι συνεργάτες του στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ έχουν μπλέξει δύο φωτόνια που δεν υπάρχουν ταυτόχρονα. Ξεκινούν με ένα σχήμα γνωστό ως ανταλλαγή εμπλοκής. Για να ξεκινήσουν, οι ερευνητές χτυπούν έναν ειδικό κρύσταλλο με φως λέιζερ μερικές φορές για να δημιουργήσουν δύο μπερδεμένα ζεύγη φωτονίων, το ζεύγος 1 και 2 και το ζευγάρι 3 και 4. Στην αρχή, τα φωτόνια 1 και 4 δεν μπλέκονται. Αλλά μπορεί να είναι αν οι φυσικοί παίξουν το σωστό κόλπο με το 2 και το 3.
Το κλειδί είναι ότι μια μέτρηση "προβάλλει" ένα σωματίδιο σε μια καθορισμένη κατάσταση -- ακριβώς όπως η μέτρηση ενός φωτονίου το καταρρέει είτε σε κάθετη είτε σε οριζόντια πόλωση. Έτσι, παρόλο που τα φωτόνια 2 και 3 ξεκινούν χωρίς εμπλοκή, οι φυσικοί μπορούν να δημιουργήσουν μια «προβολική μέτρηση» που ρωτά, είναι τα δύο σε μία από τις δύο διακριτές εμπλεκόμενες καταστάσεις ή στην άλλη; Αυτή η μέτρηση μπλέκει τα φωτόνια, ακόμη και όταν τα απορροφά και τα καταστρέφει. Εάν οι ερευνητές επιλέξουν μόνο τα γεγονότα στα οποία τα φωτόνια 2 και 3 καταλήγουν, ας πούμε, στην πρώτη κατάσταση εμπλοκής, τότε η μέτρηση εμπλέκει επίσης τα φωτόνια 1 και 4. (Βλέπε διάγραμμα, επάνω.) Το φαινόμενο μοιάζει λίγο με την ένωση δύο ζευγών γραναζιών για να σχηματίσουν μια αλυσίδα τεσσάρων γραναζιών:Η εμπλοκή σε δύο εσωτερικά γρανάζια δημιουργεί έναν σύνδεσμο μεταξύ των δύο εξωτερικών.
Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί έχουν παίξει με το χρονοδιάγραμμα στο σχήμα. Για παράδειγμα, πέρυσι μια ομάδα έδειξε ότι η εναλλαγή εμπλοκής εξακολουθεί να λειτουργεί ακόμα κι αν κάνουν την προβολική μέτρηση αφού έχουν ήδη μετρήσει τις πολώσεις των φωτονίων 1 και 4. Τώρα, ο Eisenberg και οι συνεργάτες του έχουν δείξει ότι τα φωτόνια 1 και 4 δεν κάνουν καν πρέπει να υπάρχουν ταυτόχρονα, όπως αναφέρουν σε μια εφημερίδα υπό έκδοση στο Physical Review Letters .
Για να γίνει αυτό, δημιουργούν πρώτα το μπερδεμένο ζεύγος 1 και 2 και μετρούν την πόλωση του 1 αμέσως. Μόνο μετά από αυτό δημιουργούν μπερδεμένο ζεύγος 3 και 4 και εκτελούν τη βασική προβολική μέτρηση. Τέλος, μετρούν την πόλωση του φωτονίου 4. Και παρόλο που τα φωτόνια 1 και 4 δεν συνυπάρχουν ποτέ, οι μετρήσεις δείχνουν ότι οι πολώσεις τους εξακολουθούν να καταλήγουν μπερδεμένες. Ο Eisenberg τονίζει ότι παρόλο που στη σχετικότητα, ο χρόνος μετράται διαφορετικά από παρατηρητές που ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες, κανένας παρατηρητής δεν θα έβλεπε ποτέ τα δύο φωτόνια να συνυπάρχουν.
Το πείραμα δείχνει ότι δεν είναι απολύτως λογικό να σκεφτόμαστε τη διαπλοκή ως μια απτή φυσική ιδιότητα, λέει ο Eisenberg. «Δεν υπάρχει χρονική στιγμή που να συνυπάρχουν τα δύο φωτόνια», λέει, «άρα δεν μπορείς να πεις ότι το σύστημα είναι μπλεγμένο αυτή ή εκείνη τη στιγμή». Ωστόσο, το φαινόμενο σίγουρα υπάρχει. Ο Anton Zeilinger, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, συμφωνεί ότι το πείραμα δείχνει πόσο ολισθηρές είναι οι έννοιες της κβαντικής μηχανικής. «Είναι πραγματικά τακτοποιημένο γιατί δείχνει λίγο πολύ ότι τα κβαντικά γεγονότα είναι έξω από τις καθημερινές μας αντιλήψεις για τον χώρο και τον χρόνο».
Σε τι είναι λοιπόν η προκαταβολή; Οι φυσικοί ελπίζουν να δημιουργήσουν κβαντικά δίκτυα στα οποία πρωτόκολλα όπως η εναλλαγή εμπλοκής χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία κβαντικών συνδέσεων μεταξύ απομακρυσμένων χρηστών και τη μετάδοση μυστικών επικοινωνιών που δεν μπορούν να σπάσουν (αλλά πιο αργά από το φως). Το νέο αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι όταν μοιράζονται μπερδεμένα ζεύγη φωτονίων σε ένα τέτοιο δίκτυο, ένας χρήστης δεν θα χρειάζεται να περιμένει να δει τι συμβαίνει με τα φωτόνια που στέλνονται στη γραμμή προτού χειριστεί αυτά που κρατούνται πίσω, λέει ο Eisenberg. Ο Zeilinger λέει ότι το αποτέλεσμα μπορεί να έχει άλλες απροσδόκητες χρήσεις:«Αυτό το είδος των πραγμάτων ανοίγει το μυαλό των ανθρώπων και ξαφνικά κάποιος έχει μια ιδέα να το χρησιμοποιήσει στον κβαντικό υπολογισμό ή κάτι τέτοιο».
Διόρθωση, 23 Μαΐου στις 3:30 μ.μ.: Το φωτόνιο 4 στα δεξιά στην επάνω εικόνα επισημάνθηκε εσφαλμένα ως φωτόνιο 2.
