Περισσότερα στοιχεία για να υποστηρίξουν την τρομακτική δράση των κβαντικών θεωριών από απόσταση
Είναι μια από τις πιο περίεργες έννοιες στο ήδη περίεργο πεδίο της κβαντικής φυσικής:Η μέτρηση της κατάστασης ή της κατάστασης ενός κβαντικού σωματιδίου όπως ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να αλλάξει αμέσως την κατάσταση ενός άλλου ηλεκτρονίου —ακόμα κι αν είναι έτη φωτός μακριά. Αυτή η ιδέα ενόχλησε ανθρώπους όπως ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, καθώς υποδηλώνει ότι κάτι μπορεί να ταξιδέψει πιο γρήγορα από το φως και ότι η πραγματικότητα καθορίζεται με κάποιο τρόπο από τις μετρήσεις που κάνουμε. Αλλά τώρα, μια ομάδα πειραματιστών λέει ότι έχει εδραιώσει την υπόθεση αυτής της ιδέας, κλείνοντας κενά σε προηγούμενες επιδείξεις.
"Αυτό είναι ένα απόλυτο έγγραφο ορόσημο στην κβαντική φυσική", λέει ο Howard Wiseman, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Griffith, Nathan, στην Αυστραλία, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. «Δεν υπάρχει πλέον καμία εύλογη αμφιβολία ότι ο φυσικός κόσμος είναι βαθιά διαφορετικός από τις καθημερινές μας διαισθήσεις». Ο Christopher Ferrie, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ στην Αυστραλία, σημειώνει ότι για πολλούς φυσικούς, το ζήτημα είχε διευθετηθεί εδώ και πολύ καιρό. «Πραγματοποιήστε δημοσκόπηση σε οποιουσδήποτε φυσικούς της γενιάς μου ή μεταγενέστερων και θα είναι εντελώς αδιάφοροι [αυτό]», λέει. Η πραγματική πρόοδος, λέει, είναι το άνοιγμα του δρόμου για υπερασφαλείς τεχνολογίες κβαντικών επικοινωνιών.
Το πείραμα πραγματοποιήθηκε από τον Ρόναλντ Χάνσον, φυσικό στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ στην Ολλανδία, και τους συνεργάτες του. Ο Hanson αρνήθηκε να συζητήσει το χαρτί, το οποίο είναι δημοσιευμένο στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv, καθώς είναι υπό εξέταση σε άγνωστο περιοδικό.
Το πείραμα περιλαμβάνει μια έννοια που ονομάζεται εμπλοκή. Θεωρήστε ένα ηλεκτρόνιο. Όπως μια κορυφή, μπορεί να περιστρέφεται προς τη μία κατεύθυνση (πάνω) ή την άλλη (κάτω). Παραδόξως, η κβαντική θεωρία λέει ότι το ηλεκτρόνιο μπορεί επίσης να περιστρέφεται εξίσου και με τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα - αν και αν το μετρήσετε, η κβαντική κατάσταση θα "καταρρεύσει" έτσι ώστε να βρείτε το ηλεκτρόνιο να περιστρέφεται είτε προς τα πάνω είτε προς τα κάτω με ίση πιθανότητα. Το πώς γίνεται μια τέτοια μέτρηση είναι σημαντικό. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, δεν μπορείτε απλά να διαβάσετε το σπιν απευθείας. πρέπει να χρησιμοποιήσετε έναν αναλυτή που μπορεί να ρυθμιστεί, λίγο σαν καντράν, σε έναν συγκεκριμένο προσανατολισμό για να δείτε εάν το ηλεκτρόνιο περιστρέφεται με αυτόν τον τρόπο ή αντίθετα. Στην περίπτωση της αμφίδρομης περιστροφής, η κατακόρυφη ρύθμιση του αναλυτή οδηγεί το ηλεκτρόνιο σε κατάρρευση στο αποτέλεσμα 50-50.
Ακόμη πιο περίεργο, δύο ηλεκτρόνια μπορούν να μπερδευτούν, οπότε το σπιν κάθε ηλεκτρονίου είναι εντελώς αβέβαιο, αλλά τα δύο σπιν είναι εντελώς κλειδωμένα μεταξύ τους και συσχετίζονται. Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι η Αλίκη και ο Μπομπ μοιράζονται δύο μπερδεμένα ηλεκτρόνια και το καθένα έχει έναν αναλυτή ρυθμισμένο κάθετα. Αν η Αλίκη μετρήσει το ηλεκτρόνιό της και το βρει να γυρίζει προς τα πάνω, ξέρει αμέσως ότι το ηλεκτρόνιο του Μπομπ περιστρέφεται προς τα κάτω, ακόμα κι αν είναι ένας γαλαξίας μακριά. Αυτή η «απόκοσμη δράση σε απόσταση» ενόχλησε τον Αϊνστάιν, καθώς υποδηλώνει ότι το κβαντικό κύμα που περιγράφει τα ηλεκτρόνια καταρρέει με ταχύτητα μεγαλύτερη από το φως. Υποδηλώνει επίσης ότι η "πραγματικότητα" της κατάστασης σπιν ενός ηλεκτρονίου —τι είναι γνωστό σχετικά με αυτό— δεν προσδιορίζεται μέχρι να μετρηθεί το ηλεκτρόνιο και να καταρρεύσει το κβαντικό κύμα.
Ο Αϊνστάιν βρήκε αυτή την ιδέα δυσάρεστη. Αντίθετα, υποστήριξε ότι η κβαντομηχανική ήταν ελλιπής - ουσιαστικά, ότι οι «κρυφές μεταβλητές» που κωδικοποιούνται σε κάθε ηλεκτρόνιο αλλά εκτός του πεδίου εφαρμογής της θεωρίας καθορίζουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων του Μπομπ. Αυτή η ιδέα αποτρέπει την ταχύτερη από το φως κατάρρευση, επειδή ο καθοριστικός παράγοντας ταξιδεύει μαζί με το ηλεκτρόνιο του Μπομπ. Συνδυάζεται επίσης με την ιδέα ότι οι μετρήσεις αποκαλύπτουν κάποια πτυχή του κόσμου που υπάρχει ανεξάρτητα από αυτές—όπως ακριβώς υποθέτουμε ότι υπάρχει το χρώμα μιας μπάλας του τένις πριν την κοιτάξουμε.
Ωστόσο, το 1964, ο Βρετανός θεωρητικός John Bell βρήκε έναν τρόπο να δοκιμάσει τη διαφορά μεταξύ των καταρρεόμενων κβαντικών κυμάτων και των κρυφών μεταβλητών. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, εάν η Alice και ο Bob στρέφουν τους αναλυτές τους σε διαφορετικές γωνίες, δεν θα πρέπει πλέον να βλέπουν τέλειους συσχετισμούς στις μετρήσεις τους. Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι η Αλίκη κρατά τον αναλυτή της κατακόρυφο και ο Μπομπ γέρνει τον δικό του κατά 45°. Στη συνέχεια, εάν η Αλίκη βρει το ηλεκτρόνιό της να περιστρέφεται προς τα πάνω, η πιθανότητα ο Μπομπ να βρει το ηλεκτρόνιό του να περιστρέφεται προς τα κάτω - όπως ορίζεται στον νέο του προσανατολισμό - είναι μόνο 71%. Ο Bell φαντάστηκε ότι η Alice και ο Bob άλλαζαν επανειλημμένα τους προσανατολισμούς των αναλυτών τους. Απέδειξε μαθηματικά ότι οι κρυφές μεταβλητές θα παρήγαγαν συσχετισμούς πιο αδύναμους από ένα ορισμένο όριο - που διατυπώνεται σε έναν τύπο που ονομάζεται ανισότητα του Bell. Τα κβαντικά κύματα που καταρρέουν θα μπορούσαν να αποφέρουν ισχυρότερους συσχετισμούς. Ο τύπος πρόσφερε μια δοκιμή λυχνίας για τον προσδιορισμό του εάν οι κρυφές μεταβλητές ήταν πραγματικά εκεί.
Ο Bell εξήγησε επίσης ότι η ταχύτερη από το φως κατάρρευση των κυμάτων δεν θα παραβίαζε απαραίτητα την απαγόρευση της σχετικότητας για ταξίδια ταχύτερα από το φως. Επειδή η Αλίκη δεν μπορεί να ελέγξει τα αποτελέσματα των μετρήσεών της, δεν μπορεί να τα χρησιμοποιήσει για να στείλει πληροφορίες στον Μπομπ πιο γρήγορα από το φως. Αυτή και ο Μπομπ μπορούν απλώς να επιβεβαιώσουν τους συσχετισμούς εκ των υστέρων. Αυτή είναι τώρα η τυπική ερμηνεία της σχετικότητας.
Στη δεκαετία του 1970, οι πειραματιστές άρχισαν να λαμβάνουν μετρήσεις που είχαν σχεδιαστεί για να δουν αν ισχύει η ανισότητα του Bell. Έβρισκαν με συνέπεια συσχετίσεις ισχυρότερες από ό,τι επιτρέπουν οι κρυφές μεταβλητές. Αυτά τα αποτελέσματα έπεισαν γενικά τους φυσικούς ότι ο Αϊνστάιν έκανε λάθος. Είτε τα κβαντικά κύματα πρέπει πράγματι να καταρρέουν ταχύτερα από το φως, είτε τα αποτελέσματα των μετρήσεων δεν θα μπορούσαν να προκαθοριστούν από κρυφές μεταβλητές:Μέχρι να μετρηθεί ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται και στις δύο κατευθύνσεις, περιστρέφεται κυριολεκτικά και με τις δύο κατευθύνσεις.
Ωστόσο, η εκτέλεση μιας αεροστεγής δοκιμής του θεωρήματος του Bell είναι δύσκολη, και τα τελευταία χρόνια οι φυσικοί έχουν ανησυχήσει για «παραθυράκια» που θα επέτρεπαν κάποιο αποτέλεσμα εκτός από την στιγμιαία κατάρρευση των κβαντικών κυμάτων να παραμορφώσει τα αποτελέσματα. Τώρα, ο Hanson και 18 συνάδελφοί του ισχυρίζονται ότι έκαναν την πρώτη δοκιμή του θεωρήματος του Bell χωρίς παραθυράκια.
Για να δοκιμάσουν την ιδέα του Bell, οι φυσικοί πρέπει να βεβαιωθούν ότι καμία άλλη επιρροή εκτός από αυτή των μετρήσεων δεν μπορεί να ταξιδέψει μεταξύ των ηλεκτρονίων στο χρόνο που χρειάζεται για να πραγματοποιηθούν οι μετρήσεις. Αυτή είναι μια μεγάλη τάξη, καθώς το φως ταξιδεύει 299.792 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Ο Hanson και οι συνεργάτες του χώρισαν τους δύο σταθμούς με τα ηλεκτρόνια τους κατά 1,28 χιλιόμετρα στην πανεπιστημιούπολη του Ντελφτ. Αυτό τους έδωσε 4,27 μικροδευτερόλεπτα για να πραγματοποιήσουν και τις δύο μετρήσεις προτού ένα σήμα ταχύτητας φωτός από τον ένα σταθμό φτάσει στον άλλο.
Οι ερευνητές έπρεπε ακόμα να μπλέξουν τα μακρινά ηλεκτρόνια. Για να γίνει αυτό, μπλέχτηκαν πρώτα κάθε περιστρεφόμενο ηλεκτρόνιο με την κατάσταση ενός φωτονίου και στη συνέχεια έστειλαν μια οπτική ίνα σε έναν τρίτο σταθμό μεταξύ των άλλων δύο. Μόνο εάν τα δύο φωτόνια έφταναν ταυτόχρονα και παρέμβουν μεταξύ τους με τον σωστό τρόπο, τα ηλεκτρόνια θα μπλέξουν, μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται εναλλαγή εμπλοκής. Λιγότερα από ένα στα 150 εκατομμύρια ζεύγη φωτονίων κατέγραψαν το σωστό σήμα παρεμβολής. Ωστόσο, οι ερευνητές θα μπορούσαν να ξεκινήσουν τις μετρήσεις στα ηλεκτρόνια πριν συναντηθούν τα φωτόνια και να περάσουν από τα δεδομένα στη συνέχεια για να βρουν τις δοκιμές που λειτούργησαν. Στην προεκτύπωση, αναφέρουν 245 επιτυχημένες δοκιμές σε 22 ώρες λήψης δεδομένων.
Τέλος, οι φυσικοί πρέπει να κλείσουν το κενό που ανοίγει εάν δεν μπορούν να διαβάσουν αξιόπιστα την κατάσταση των ηλεκτρονίων. Μια τέτοια αποτυχημένη μέτρηση θα μπορούσε να κρύψει τις πραγματικές συσχετίσεις μεταξύ των σπιν των ηλεκτρονίων. Για να το ξεπεράσει αυτό, η ομάδα του Hanson χρησιμοποίησε μεμονωμένα ηλεκτρόνια παγιδευμένα σε ελαττώματα ατομικού μεγέθους σε διαμάντια που είχαν ψυχθεί σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Στα ελαττώματα τα ηλεκτρόνια διατηρούν εύκολα τις λεπτές καταστάσεις σπιν τους και μπορούν να χειριστούν με μικροκύματα και φως. Οι φυσικοί μέτρησαν το σπιν κάθε ηλεκτρονίου με απόδοση μεγαλύτερη από 95%.
Με τα δύο παραθυράκια κλειστά, οι ερευνητές βλέπουν μια σαφή παραβίαση της ανισότητας του Μπελ - τορπιλίζοντας την κρυμμένη μεταβλητή του Αϊνστάιν και δικαιώνοντας τα κβαντικά κύματα που καταρρέουν. «Η μόνη σημαντική ανησυχία που θα μπορούσε να έχει κανείς σχετικά με αυτό το έγγραφο είναι το μικρό σύνολο δεδομένων, πράγμα που σημαίνει ότι το αποτέλεσμα δεν είναι τόσο σίγουρο όσο θα ήθελε ιδανικά», λέει ο Wiseman. "Αλλά είμαι βέβαιος ότι αυτό θα διορθωθεί σύντομα."
Είναι πάντα δυνατό να ονειρευόμαστε ακόμη πιο άγρια κενά, λέει ο Ferrie. Αλλά το πείραμα κλείνει εκείνα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να επιτεθούν σε ορισμένες αναπτυσσόμενες κβαντικές τεχνολογίες, όπως σχήματα για τη χρήση εμπλεκόμενων σωματιδίων για την ασφαλή διανομή των κλειδιών για την κωδικοποίηση μυστικών μηνυμάτων στις λεγόμενες «διανομές κβαντικών κλειδιών ανεξάρτητες από τη συσκευή». "Αυτό είναι ένα τεράστιο τεχνικό ορόσημο", λέει ο Ferrie, "και προϋπόθεση για πολλές μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες, οι οποίες είναι βέβαιο ότι θα επιτρέψουν την ανίχνευση και την τελική κατανόηση της νέας φυσικής."
*Διόρθωση, 30 Αυγούστου, 9:47 π.μ.,: Η ιστορία έχει αλλάξει για να διορθωθεί ένα μαθηματικό λάθος στην εξήγηση του επιχειρήματος του Bell.
