Η κβαντική διεμπλοκή είναι γεγονός

Το μελλοντικό Νόμπελ Φυσικής, ίσως, δοθεί στους πρωτεργάτες ενός πρωτοποριακού τεστ, το οποίο επιβεβαίωσε, με μεγαλύτερη σιγουριά από κάθε άλλη φορά, ότι η κβαντική διεμπλοκή (ή κβαντικός εναγκαλισμός), δηλαδή η αυτόματη «επικοινωνία» και αλληλεπίδραση δύο αντικειμένων εξ αποστάσεως, συνιστά αναπόσπαστο συστατικό του κβαντικού κόσμου.

Πρόκειται για  ένα κακό νέο για τους χάκερς, καθώς η μελλοντική κβαντική κρυπτογράφηση θα είναι απείρως δυσκολότερη να «σπάσει» (και θα απαιτεί διδακτορικό στην κβαντομηχανική).

Οι επιστήμονες, με επικεφαλής τον Ronald Hanson του ολλανδικού Πανεπιστημίου Ντελφτ, έκαναν σχετική προδημοσίευση στον επιστημονικό διαδικτυακό τόπο arXiv, σύμφωνα με το Nature, ενώ εκκρεμεί η επίσημη δημοσίευση σε επιστημονικό περιοδικό με κριτές.

Για «ιστορική στιγμή» έκανε λόγο ο κβαντικός φυσικός Νικολά Γκεζέν του Πανεπιστημίου της Γενεύης. Για «πραγματικά μεγαλοφυές και όμορφο πείραμα» μίλησε ο κορυφαίος κβαντικός φυσικός Άντον Τσάϊλινγκερ του Πανεπιστημίου της Βιέννης.

Ο κβαντικός φυσικός Μάθιου Λάϊφερ του καναδικού Ινστιτούτου «Περίμετρος» του Οντάριο δήλωσε ότι δεν θα εκπλησσόταν, αν τα επόμενα χρόνια κάποιος από τους ερευνητές, μαζί με άλλους παλαιότερους συναδέλφους του, έπαιρνε το Νόμπελ Φυσικής. Είχαν προηγηθεί άλλα σχετικά πειράματα, αλλά το νέο πείραμα στην Ολλανδία κλείνει τα «παραθυράκια» αμφιβολίας που εκείνα είχαν αφήσει.

Στην κβαντομηχανική, τα αντικείμενα μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε πολλές διαφορετικές καταστάσεις (π.χ. ένα σωματίδιο σε δύο σημεία). Μόνο όταν γίνεται η κατάλληλη μέτρηση από τον επιστήμονα, το αντικείμενο «κατασταλάζει» σε μία δεδομένη κατάσταση.

Επιπλέον όμως -και αυτό είναι ακόμη πιο παράδοξο- οι ιδιότητες δύο μακρινών αντικειμένων, τα οποία απέχουν χιλιόμετρα μεταξύ τους, «διεμπλέκονται» ή «εναγκαλίζονται», με αποτέλεσμα όταν μετριέται κάποια ιδιότητα του ενός αντικειμένου, τότε η αντίστοιχη ιδιότητα του άλλου παίρνει την ίδια τιμή, δηλαδή μεταπίπτει ακριβώς στην ίδια κατάσταση με το πρώτο, παρ’ όλη την απόσταση μεταξύ τους.

Αυτή η συμπεριφορά (λες και υπάρχει ένα «φάντασμα» στην ύλη) εκνεύριζε τον Αϊνστάιν, καθώς φαίνεται να παραβιάζει τον -υποτίθεται απαραβίαστο- συμπαντικό κανόνα ότι τίποτε δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως. Στη δεκαετία του ’60, πρώτος ο Ιρλανδός φυσικός Τζον Μπελ πρότεινε ένα πείραμα για να επιβεβαιωθεί η κβαντική διεμπλοκή και να διαψευσθεί ο Αϊνστάιν, οριστικά.

Το πρώτο σχετικό τεστ έγινε το 1981 από τον Αλέν Ασπέκτ (πιθανότατο υποψήφιο για μελλοντικό Νόμπελ) στο Ινστιτούτο Οπτικής στο Παλεζό της Γαλλίας. Αρκετά ακόμη πειράματα έλαβαν χώρα στα επόμενα χρόνια, αλλά κάθε φορά έμενε κάποια αμφιβολία. Όμως το νέο τεστ, που αφορούσε την κβαντική διεμπλοκή ζευγαριών ηλεκτρονίων και φωτονίων, φαίνεται πως κλείνει, πλέον, για τα καλά κάθε προηγούμενο κενό.

«Το πείραμα στο Ντελφτ αποτελεί την οριστική απόδειξη ότι η κβαντική κρυπτογραφία μπορεί να είναι απεριόριστα ασφαλής», δήλωσε ο Τσάϊλινγκερ. Όμως, στην πράξη, η εφαρμογή αναμένεται να είναι αρκετά δύσκολη.

Σε άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων υποστηρίζει πως επιβεβαίωσε πειραματικά ένα από τα πλέον θεμελιώδη φαινόμενα της κβαντικής φυσικής, δηλαδή ότι δύο υποατομικά σωματίδια μπορούν να αλληλεπιδρούν από απόσταση, ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλη είναι αυτή, μεταβάλλοντας έτσι ακαριαία τις ιδιότητές τους.

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε με επικεφαλής ερευνητές του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας του Ντελφτ και είναι ορόσημο στην ιστορία της φυσικής, αφού αποτελεί την πιο βάσιμη μέχρι σήμερα ένδειξη ότι δεν ισχύει η «τοπικότητα», μία θεμελιώδης αρχή της κλασικής φυσικής.

Σύμφωνα με την κλασική φυσική, καμία αλληλεπίδραση δεν μπορεί να διαδοθεί ταχύτερα από το φως, ενώ όταν δύο συστήµατα που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους απομακρυνθούν πάρα πολύ, τότε διαχωρίζονται και δεν υπάρχει καμία αλληλεπίδραση µεταξύ τους.

Στην αρχή της τοπικότητας είχε βασισθεί ο Άλμπερτ Αϊνστάιν για να υποστηρίξει πως η κβαντική φυσική δεν είναι μία πλήρης θεωρία που καταφέρνει να περιγράψει την πραγματικότητα. Ο Αϊνστάιν δεν αποδεχόταν ότι η αβεβαιότητα είναι μία εγγενής ιδιότητα της φύσης, όπως πρεσβεύει η κβαντική, λέγοντας χαρακτηριστικά «πως ο Θεός δεν παίζει ζάρια με τον κόσμο».

Ένα από τα επιχειρήματά του ήταν η «μυστηριώδης δράση από απόσταση», δηλαδή ένα φαινόμενο που θα έπρεπε να προκύπτει από την παραβίαση της αρχής της τοπικότητας, αν όντως ισχύει η κβαντική φυσική.

Η «μυστηριώδης δράση από απόσταση» ονομάστηκε στην πορεία κβαντική διεμπλοκή ή κβαντικός συσχετισμός (quantum entanglement). Τώρα, όπως αναφέρουν οι επιστήμονες από το Ντελφτ, αυτό που κατάφεραν ήταν να παρατηρήσουν πειραματικά την κβαντική διεμπλοκή «σε δράση», και μάλιστα με τέτοιο τρόπο που να αποκλείει οποιαδήποτε εναλλακτική ερμηνεία, η οποία να παρακάμπτει την κβαντική.

Επομένως, το πείραμά τους δείχνει πως η πραγματικότητα δεν είναι ντετερμινιστική, όπως πρεσβεύει κλασική φυσική. Με άλλα λόγια, ότι τελικά «ο Θεός παίζει ζάρια με τον κόσμο», αντίθετα απ’ ό,τι πίστευε ο διάσημος φυσικός.

Ένα παράδειγμα που χρησιμοποιείται για να περιγραφεί η κβαντική διεμπλοκή είναι όταν π.χ. από την αποδιέγερση ενός σωματιδίου παράγονται δύο ηλεκτρόνια, τα οποία έχουν αντίθετα spin και κινούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Με βάση την κβαντική φυσική, το spin κάθε ηλεκτρονίου βρίσκεται σε μία υπέρθεση καταστάσεων, κάτι που σημαίνει πως αποκτά δεδομένη τιμή μόνο όταν μετρηθεί.

Ο τρόπος που παράχθηκαν τα ηλεκτρόνια σημαίνει όμως πως είναι «συσχετισμένα». Συνεπώς, αν μετρηθεί το spin του ενός ηλεκτρονίου, και πάρει συγκεκριμένη τιμή, θα πρέπει το άθροισμα των spin των δύο σωμάτων να συνεχίσει να είναι μηδενικό. Κάτι που σημαίνει πως το δεύτερο ηλεκτρόνιο θα επηρεασθεί ακαριαία, όσο μακριά κι αν βρίσκεται, αποκτώντας αντίθετο spin.

Η αλήθεια είναι πως, από τη δεκαετία του ’70, αρκετά πειράματα έχουν δείξει ότι η μυστηριώδης δράση από απόσταση» όντως ισχύει. Η διαφορά του νέου πειράματος, στο οποίο πήραν μέρος επίσης φυσικοί από την Ισπανία και την Αγγλία, είναι πως «κλείνει την πόρτα» σε εναλλακτικές ερμηνείες, όπως π.χ. την ύπαρξη τοπικά κρυμμένων μεταβλητών, δείχνοντας πως η μοναδική εξήγηση είναι η πιθανοκρατική φύση της πραγματικότητας και η κβαντική.

Το πείραμα έγινε στις εγκαταστάσεις του Ντελφτ, με τους επιστήμονες να χρησιμοποιούν ζεύγη «συσχετισμένων» ηλεκτρονίων, τα οποία «επικοινωνούσαν» μεταξύ τους από απόσταση 1,3 χιλιομέτρων. Σε κάθε άκρο της διάταξης είχε τοποθετηθεί από ένα διαμάντι με μια «παγίδα» για τα ηλεκτρόνια, ενώ με τη βοήθεια παλμών από μικροκύματα και λέιζερ γινόταν ο «συσχετισμός» των ηλεκτρονίων και η μέτρηση του spin τους.

Η μεγάλη απόσταση των δύο διαμαντιών εξασφάλιζε πως τα ηλεκτρόνια δεν μπορούσαν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους με συμβατικό τρόπο, πριν μετρηθεί το spin τους.
Πάντως, ορισμένοι ειδικοί που δεν συμμετείχαν το πείραμα, με τα σχόλιά τους στα μίντια υποστήριξαν πως παρόλο που όντως αποκλείονται οι περισσότερες εναλλακτικές ερμηνείες, και το αποτέλεσμά του έχει επομένως ιστορική σημασία, δεν αποτελεί τελεσίδικη «απάντηση» στον Άλμπερτ Αϊνστάιν.

Ενδεικτικά, ο Ντέιβιντ Κάιζερ από το ΜΙΤ ανέφερε στο σάιτ του περιοδικού The World Weekly πως αφήνει ανοικτό το ενδεχόμενο το ηλεκτρονικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για να γίνουν τυχαίες οι μετρήσεις να είναι προκαθορισμένο, με κάποιον τρόπο ο οποίος δεν είναι εύκολα ανιχνεύσιμος.

Ο Κάιζερ είναι επικεφαλής ενός φιλόδοξου πειράματος που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ και, μέσα στην επόμενη τριετία, θα προσπαθήσει να αποδείξει την κβαντική διεμπλοκή χρησιμοποιώντας φωτόνια από κβάζαρ που βρίσκονται στις παρυφές του σύμπαντος και σε αντιδιαμετρικά σημεία.

Στην κβαντομηχανική, τα εναγκαλισμένα σωματίδια παραμένουν συνδεδεμένα έτσι ώστε όταν μια ενέργεια πραγματοποιηθεί σε ένα από αυτά, τότε αυτόματα επηρεάζεται και το άλλο, ακόμα και αν απέχουν μεταξύ τους κατά τεράστιες αποστάσεις. Το συγκεκριμένο φαινόμενο «ταλαιπώρησε» τόσο πολύ τον Albert Einstein που το ονόμασε παράξενη δράση από απόσταση (spooky action at a distance).

Οι κανόνες της κβαντομηχανικής λένε ότι ένα φωτόνιο (σωματίδιο φωτός) που δεν έχει παρατηρηθεί ακόμα, υπάρχει σε όλες τις πιθανές του μορφές (κύμα και σωματίδιο), αλλά μόλις παρατηρηθεί ή μετρηθεί τότε υπάρχει μόνο σε μία κατάσταση.

Ένα βασικό χαρακτηριστικό των υποατομικών σωματιδίων το οποίο θα μας βοηθήσει για την κατανόηση του φαινομένου είναι το λεγόμενο spin (περιστροφή) του σωματιδίου το οποίο είναι εξ’ίσου σημαντικό όσο και η μάζα αλλά και το ηλεκτρικό φορτίο.Το spin στη συγκεκριμένη περίπτωση αναπαρίσταται σαν ένας άξονας περιστροφής αν και στη πραγματικότητα τα σωματίδια δεν περιστρέφονται.

Ο εναγκαλισμός λοιπόν συμβαίνει όταν ένα ζευγάρι σωματιδίων, όπως τα φωτόνια, αλληλεπιδρούν. Μια ακτίνα laser που πυροδοτείται μέσα από ένα συγκεκριμένο είδος κρύσταλλων μπορεί να προκαλέσει ορισμένα φωτόνια να χωριστούν σε ζευγάρια εναγκαλισμένων φωτονίων τα οποία μπορούν μετά να χωριστούν μεταξύ τους κατά τεράστιες αποστάσεις, χιλιάδες χιλιόμετρα ή και παραπάνω.

Όταν παρατηρηθεί, το φωτόνιο Α παίρνει για παράδειγμα spin προς τα πάνω. Την ίδια στιγμή το αντίστοιχο εναγκαλισμένο φωτόνιο Β, που είναι πλέον χιλιόμετρα μακριά παίρνει την ακριβώς ανάποδη ένδειξη δηλαδή spin προς τα κάτω. Η μεταφορά κατάστασης μεταξύ φωτονίου Α και φωτονίου Β γίνεται με ταχύτητα τουλάχιστον 10,000 φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός, πιθανότατα ίσως και ταυτόχρονα, ανεξαρτήτως απόστασης.

Ένα πείραμα που έχει προταθεί είναι να στείλουμε το ένα εκ των δύο εναγκαλισμένων φωτονίων στον διεθνή διαστημικό σταθμό που είναι σε τροχιά γύρω από τη γη σε απόσταση περίπου 500 χιλιομέτρων. Αυτή θα είναι η μεγαλύτερη απόσταση που θα έχει ελεγχθεί το φαινόμενο πειραματικά.

Οι πρακτικές εφαρμογές, αν καταφέρουμε να δαμάσουμε το φαινόμενο του κβαντικού εναγκαλισμού θα είναι τεράστιες. Από την δημιουργία υπερσύγχρονων κβαντικών υπολογιστών, της δραματικής βελτίωσης της κρυπτογράφησης, ίσως ακόμα και της κβαντικής τηλεμεταφοράς πληροφοριών.