Κβαντική διεμπλοκή – οι τελευταίες παρατηρήσεις

Η κβαντομηχανική θεωρείται απόκοσμη σε σχέση με τη μηχανική της πραγματικότητας που αντιλαμβανόμαστε. Ένα αξιοσημείωτο κβαντικό φαινόμενο είναι αυτό της λεγόμενης “κβαντικής διεμπλοκής”. Η κβαντική διεμπλοκή είναι ένα παράδοξο κβαντικό φαινόμενο, το οποίο ο Αϊνστάιν είχε χαρακτηρίσει “στοιχειωμένο” αφού οι κινήσεις και γενικότερα οι ιδιότητες δύο σωματιδίων ή αντικειμένων αλληλοεπηρεάζονται ακαριαία. Δηλαδή, στο φαινόμενο αυτό, δύο σωματίδια ή ομάδες σωματιδίων που δημιουργούνται μαζί ή αλληλεπιδρούν, μένουν σε κατάσταση διεμπλοκής μεταξύ τους, ασχέτως της αποστάσεως του ενός από το άλλο. Αν φερειπείν υποθέσουμε ότι εστάλει ένα σωματίδιο από τα δύο στο άλλο άκρο του γαλαξία ή και του σύμπαντος, και συμβεί κάτι σε οποιοδήποτε από τα δύο, το άλλο αντιδρά άμεσα. Από αυτό προκύπτει ουσιαστικά ό,τι η “πληροφορία” μπορεί να ταξιδέψει με “άπειρη” ταχύτητα (πολύ μεγαλύτερη από αυτή του φωτός!) Πιο συγκεκριμένα, η κβαντική διεμπλοκή περιλαμβάνει την τοποθέτηση αντικειμένων στο ιδιόμορφο κενό της κβαντικής υπέρθεσης (quantum superposition), στο οποίο οι κβαντικές ιδιότητες ενός αντικειμένου καταλαμβάνουν πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα, όπως πχ: η διάσημη γάτα του Schrödinger που είναι νεκρή και ζωντανή ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, αυτές οι κβαντικές καταστάσεις μοιράζονται μεταξύ πολλών αντικειμένων.

Το 1935 ο Albert Einstein και οι συνεργάτες του Boris Podolski και Nathan Rosen δημοσίευσαν μια θεωρητική εργασία αναλύοντας με σκεπτικισμό τη θεωρία της κβαντομηχανικής (εργασία), διερωτώμενοι: “Μπορεί η κβαντομηχανική περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας να θεωρηθεί πλήρης;” και έδωσαν αρνητική απάντηση. Το ίδιο έτος o Erwin Schrödinger ανταπαντά στην εργασία αυτή, αναλύοντας διεξοδικά τις θέσεις της κβαντομηχανικής ως προς την πραγματικότητα, πως την αντιλαμβανόμαστε και το αν είναι μια ολοκληρωμένη θεωρία ή όχι (πχ. εργασία 1, εργασία 2 ) και επινοεί τον όρο «διεμπλοκή» οπού για πρώτη φορά περιγράφει το διάσημο νοητικό πείραμα με την διάσημη γάτα που είναι ζωντανή και νεκρή ταυτόχρονα. Μια τέτοια εξέλιξη “ερωτο-αποκρίσεων” μέσα από επιστημονικές εργασίες, φυσικά και ήταν αναμενόμενη γιατί η βασική αρχή της διάσημης θεωρίας της σχετικότητας του Einstein απαγόρευε οποιαδήποτε μετάδοση πληροφορίας με ταχύτητα μεγαλύτερης αυτής της ταχύτητας του φωτός, κάτι που αργότερα παραδόξως θα αποδειχθεί ως λανθασμένη (ή ας πούμε “σχετική”), μέσα στα πλαίσια της κβαντικής φυσικής, πρώτα από την επιστημονική εργασία του John Steward Bell και συνακολούθως από τα πρώτα πειράματα που ξεκίνησαν την δεκαετία του 1970, όπως θα συζητήσουμε παρακάτω. Το βέβαιο είναι ότι η εργασία των Einstein, Podolski και Rosen, έδωσε το έναυσμα για εκτεταμένες θεωρητικές “διευκρινήσεις” της κβαντομηχανικής επί σειρά θεωρητικών εργασιών και πολλαπλά πειράματα που ακολούθησαν τα επόμενα χρόνια.

Σύμφωνα με την θεωρία της κβαντικής διεμπλοκής λοιπόν, ακόμη και αν τα εμπλεγμένα σώματα (πχ. σωματίδια) διαχωρίζονται, οι αβέβαιες κβαντικές τους καταστάσεις θα πρέπει να παραμείνουν συνδεδεμένες μέχρι να μετρηθεί ή να διαταραχθεί ένα από αυτά και η αυτού καθ′ αυτού μέτρηση προσδιορίσει άμεσα την κατάσταση του άλλου αντικειμένου, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι! Η ιδέα αυτή είχε φανεί στον Albert Einstein τόσο “τραβηγμένη” που ουσιαστικά το 1947 σε ένα γράμμα του στον μεγάλο Φυσικό Marx Born, σαρκάστηκε την θεωρία λέγοντας ότι είναι όντως μια “στοιχειωμένη” δράση εξ′ αποστάσεως (’’spooky action at a distance″), και ας αναφέρουμε εδώ ότι στα γερμανικά το ανέφερε ως: ″spukhafte Fernwirkung” που σημαίνει για την ακρίβεια ″μυστική/μυστηριώδης δράση εξ′ αποστάσεως” και που υποδήλωνε ότι δεν πίστευε στο φαινόμενο αυτό. Τελικά επικράτησε στα αγγλικά η λέξη ″spooky″ που σημαίνει περισσότερο κάτι το στοιχειωμένο ή το ανατριχιαστικό παρά κάτι το μυστηριώδες (mystical).

Τώρα ας αναρωτηθούμε: Αν όντως είναι παρατηρήσιμη, σε πόση μεγάλη κλίμακα μπορεί άραγε κανείς να φτάσει παρατηρώντας την κβαντική διαπλοκή; Οι ερευνητές ήδη από την δεκαετία του ’70 και μετά από πολλαπλά πειράματα τις επόμενες δεκαετίες, κατάφεραν να φέρουν την κβαντομηχανική πιο κοντά στη πραγματικότητα, καθώς παρατήρησαν την κβαντική διεμπλοκή αρχικά σε δύο ζευγάρια ατόμων σε πειραματική διάταξη, και μέχρι πρόσφατα κατάφερναν να παρατηρούν εσωτερικές ιδιότητες μικροσκοπικών συστημάτων, όπως πχ. την πόλωση ενός ζεύγους φωτονίων ή τις τροχιές περιστροφής των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα ατόμων. Αποδείχτηκε λόγου χάρη ότι όταν αλλάζει η κίνηση ενός ζεύγους ιόντων Βηρυλλίου-Μαγνησίου σε κατάλληλη πειραματική διάταξη, τότε αλλάζει και η κίνηση ενός δεύτερου ζεύγους, χωρίς να δίνεται στο τελευταίο η ίδια εντολή για ξεκίνημα ή σταμάτημα των δονήσεων και παρόλο που βρισκόταν σε απόσταση από το πρώτο.

Εδώ ας αναφέρουμε ενδεικτικά μερικές άλλες εργασίες:

1990: Ο Charles Bennett και συνεργάτες του αναφέρουν την πρώτη διανομή ενός πειραματικού κβαντικού κλειδιού.

1997: Ο Anton Zeilinger και η ομάδα του αναφέρουν στο περιοδικό Nature την πρώτη πειραματική επαλήθευση της κβαντικής τηλεμεταφοράς.

2007: Δέκα χρόνια μετά ο Zeilinger και οι συνεργάτες του καταφέρνουν να στείλουν πεπλεγμένα φωτόνια σε μια απόσταση ρεκόρ (των 144 χιλιομέτρων) ανάμεσα σε δύο από τα Κανάρια Νησιά.

2010: Παρατηρείται ένα νέο είδος ταυτόχρονης κβαντικής διεμπλοκής πολλών αντικειμένων, καθώς κβαντικές πληροφορίες τηλεμεταφέρθηκαν σε απόσταση ρεκόρ των 16 χιλιομέτρων.

2017: Παρατηρείται, όπως έδειξε μια ομάδα Κινέζων ερευνητών, κβαντική διεμπλοκή σε απόσταση-ρεκόρ των 1200 χιλιομέτρων, μέσω του κινεζικού δορυφόρου Micius ο οποίος είχε ειδικό εξοπλισμό για κβαντικά πειράματα, επικοινωνώντας με τρεις διαφορετικούς επίγειους σταθμούς, κάνοντας ένα σημαντικό βήμα για το «κβαντικό» διαδίκτυο (εργασία). Δηλαδή αποδείχτηκε ότι υπάρχει δυνατότητα τα σωματιδίων να επικοινωνούν μέσω μιας κβαντικής διεμπλοκής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην εφαρμογή μετάδοσης κρυπτογραφημένων πληροφοριών από το ένα μέρος της Γης στο άλλο. Αυτό θα μπορεί να γίνεται μέσω ασφαλών κβαντικών διαύλων χωρίς να μπορεί κάποιος να υποκλέψει πληροφορίες.

Τώρα πάμε ακόμα παραπέρα. Πρόσφατα (2018) δύο νέες μελέτες ανέφεραν κβαντική διεμπλοκή σε συσκευές σχεδόν ορατές με γυμνό μάτι!

Συγκεκριμένα, ο Simon Gröblacher, κβαντικός φυσικός στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Delft στην Ολλανδία και οι συνεργάτες του, κατασκεύασαν δέσμες μήκους περίπου 10 μικρο-μέτρων πάνω σε τσιπς πυριτίου (εργασία) σε απόσταση 20 εκατοστών. Οι δέσμες, περίπου στο μέγεθος ενός βακτηριδίου, μπορούσαν να ταλαντεύονται πάνω-κάτω σαν μια χορδή κιθάρας. Οι ερευνητές συνέδεσαν τα τσιπς με μια οπτική ίνα και ολόκληρη αυτή η πειραματική διάταξη ψύχθηκε κοντά στο απόλυτο μηδέν για να εξουδετερωθούν οι τυχόν κραδασμοί. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας έξυπνα ελεγχόμενους παλμούς λέιζερ προσέθεσαν αρκετή ενέργεια για να δονηθεί μια δέσμη λίγο πιο έντονα από την άλλη. Μετρώντας το φως που εξέπεμψε η διάταξη, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι επετεύχθη αύξηση της ενέργειας, αλλά δεν γνώριζαν ποια δέσμη από τις δυο πήρε την ενέργεια, πράγμα που σήμαινε ότι η προστιθέμενη ενέργεια ήταν κοινή και για τις δύο δέσμες -το σήμα κατατεθέν της κβαντικής διεμπλοκής το οποίο διήρκεσε μόνο ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.

Σε ένα δεύτερο επίσης πολύ ενδιαφέρον πείραμα, που δημοσιεύθηκε επίσης στο περιοδικό Nature (εργασία) ο Mika Sillanpää καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Aalto της Φινλανδίας και η ομάδα του, υιοθέτησαν μια διαφορετική προσέγγιση, κατασκευάζοντας ζεύγη αλουμινένιων κυλίνδρων ή δονητικών δίσκων, περίπου όσο το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας πάνω σε ένα τσιπ πυριτίου. Μετά την ψύξη της ρύθμισης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μικροκύματα για να ωθήσουν τις κεφαλές των κυλίνδρων σε συσχετισμένες κινήσεις – δηλ. καθώς ο ένας κινούνταν πάνω-κάτω ο άλλος έκανε το αντίθετο. Μια δεύτερη σειρά παλμών μικροκυμάτων ανέλυε τις κινήσεις των σημάτων και βρέθηκε ότι οι μικροσκοπικοί αυτοί δίσκοι μοιράζονταν την ίδια κβαντική κατάσταση. Εν αντιθέσει με το προαναφερόμενο πείραμα που διήρκεσε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, η συγκεκριμένη ερευνητική ομάδα έδειξε ότι η παρατηρούμενη διεμπλοκή μπορεί να διαρκέσει επ ’αόριστον -εφόσον οι δίσκοι βομβαρδίζονται από μικροκύματα.

Τα δύο αυτά πειράματα έχουν πολύ ενδιαφέρουσες πιθανές εφαρμογές. Ο Gröblacher και η ομάδα του σχεδίασαν τις δέσμες που αναφέραμε παραπάνω ώστε να δονούνται με τον ίδιο ρυθμό καθώς αποστέλλεται φως μέσω οπτικών ινών και ούτως ώστε να είναι συμβατές με τα υπάρχοντα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Η εγκατάσταση αυτή είναι “εντελώς μηχανική” και εάν μπορέσουν να θέσουν το φαινόμενο της κβαντικής διαπλοκής ώστε να διαρκεί περισσότερο καθώς αυξάνεται και η απόσταση μεταξύ των τσιπς, τότε πολύ πιθανόν να έχουμε σύντομα συσκευές που να χρησιμεύουν ως κόμβοι σε ένα ενδεχόμενο κβαντικό διαδίκτυο, που θα μπορούσε να μεταδώσει εξαιρετικά ασφαλή πληροφορία μεταξύ των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών. Από την άλλη πλευρά το δεύτερο πείραμα του Sillanpää και των συνεργατών του μπορεί να έχει επίσης πολύ σημαντικές εφαρμογές σε μετρήσεις εξαιρετικής ακρίβειας και αυτό γιατί οι κβαντικοί αισθητήρες είναι τόσο ευαίσθητοι, ώστε μπορούν να ανιχνεύσουν εξαιρετικά αδύναμα σήματα, όπως αυτά των βαρυτικών κυμάτων. Αν λοιπόν στο εγγύς μέλλον οι συσκευές αυτές γίνουν μεγαλύτερες, δηλαδή πρακτικότερες, θα μπορούν να τεστάρουν τις θεωρίες βαρύτητας που επεκτείνουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν στην κβαντική σφαίρα των θεωριών, συνδέοντας έτσι δύο σημαντικές θεωρίες της φυσικής που έχουν παραμείνει πεισματικά αγεφύρωτες.

Οπότε όπως είδαμε παραπάνω τα πειράματα που διεξάγονται στα ερευνητικά κέντρα αρχίζουν και γεφυρώνουν το χάσμα ανάμεσα στον εξωπραγματικό κόσμο της κβαντομηχανικής και την ντετερμινιστική φυσική πραγματικότητα, την οποία όλοι αντιλαμβανόμαστε με την καθημερινή εμπειρία μας.

Σύμφωνα τώρα με κάποιες περαιτέρω θεωρητικές μελέτες πάνω στην θεωρία της κβαντικής διεμπλοκής, ενδιαφέρον είναι να αναφέρουμε και μια εργασία του Lorenzo Maccone, Ιταλού ερευνητή στο ΜΙT (εργασία) που υποστηρίζει ότι όλοι μας βλέπουμε γύρω μας περίεργα πράγματα, όπως π.χ. σπασμένα τζάμια που ξαφνικά αυτο-επιδιορθώνονται παρ’ όλο που αυτό δεν είναι δυνατό βάσει του 2ου Νόμου της Θερμοδυναμικής, τα οποία απλά δεν τα θυμόμαστε! Όπως υποστηρίζεται με μαθηματικούς υπολογισμούς, όταν κοιτάζουμε γύρω μας η μνήμη μας βρίσκεται σε μια ″κβαντική διεμπλοκή″ με το περιβάλλον μας. Ο παρατηρητής δηλαδή που παρατηρεί ένα αντικείμενο και “εμπλέκεται” κβαντικά με αυτό, αυξάνει τις πληροφορίες που εισρέουν στον εγκέφαλό του, την ίδια στιγμή που μικραίνει η πληροφορία και αυξάνεται η εντροπία στο αντικείμενο που παρατηρεί. Όταν όμως “απ-εμπλεκόμαστε” από αυτό, διαγράφεται η μνήμη του παρατηρητή. Οι μαθηματικές εξισώσεις δείχνουν ξεκάθαρα ότι η φύση φαίνεται τόσο στο μικρο-επίπεδο όσο και στο μακρο-επίπεδο να συμπεριφέρεται κβαντικά επειδή τελικά το σύμπαν δεν δείχνει να είναι ενιαίο, αλλά ένα πολύ-σύμπαν (multi-verse) αποτελούμενο από πολλά παράλληλα σύμπαντα. Σε κάποια από αυτά τα σύμπαντα, που το μυαλό μας “διαγράφει” τα σπασμένα τζάμια, αυτά ξανακολλάνε μόνα τους.Η κβαντική διεμπλοκή των προσώπων με το περιβάλλον τους βέβαια δεν μπορεί να αποδειχθεί εμπειρικά, a posteriori δηλαδή, παρά μόνο σε μερικές σελίδες μαθηματικών αποδείξεων. Παρόλα αυτά νευρο-επιστήμονες σε συνεργασία με κβαντικούς φυσικούς οραματίζονται την κβαντική διεμπλοκή των ανθρώπων σε ένα είδος μεταβίβασης της σκέψης…

Οι έρευνες συνεχίζονται και τα επόμενα χρόνια φαίνεται να είναι πολύ ενδιαφέροντα γύρω από τα το μυστήρια της “στοιχειωμένης” κβαντικής διεμπλοκής.