Atom science biotechnology purple vector neon graphic
ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΚΥΡΙΑ

Κβαντική διεμπλοκή – τι είναι και γιατί ενθουσιάζει τους επιστήμονες

6 Απριλίου 2023
Χριστίνα Χαριτάκη

Τι είναι η κβαντική διεμπλοκή;

Σύμφωνα με την κβαντική διεμπλοκή, αν δύο σωματίδια ή κάποιες ομάδες σωματιδίων δημιουργηθούν μαζί και αλληλεπιδράσουν στενά μεταξύ τους τότε ανάμεσα τους δημιουργείται μια παράδοξα στενή και μόνιμη σχέση ανεξαρτήτως της απόστασης τους.

Με άλλα λόγια αν υποθετικά το ένα από τα δύο σωματίδια σταλεί στο άκρο του σύμπαντος αν το ένα από τα σωματίδια πάθει κάτι το άλλο θα αντιδράσει άμεσα.

Ο ρομαντικός μύθος λοιπόν, σύμφωνα με τον οποίο ένα βαθιά ερωτευμένο ζευγάρι όσο μακριά κι αν βρίσκεται βιώνει τα ίδια συναισθήματα την ίδια στιγμή έχοντας επίγνωση για τη συναισθηματική κατάσταση του άλλου, γίνεται πραγματικότητα στον μικρόκοσμο της φυσικής. 

Einstein, Podolsky και Rosen – Παράδοξο ( EPR Paradox)

Το 1935 τρεις επιστημονες, ο Einstein, Podolsky και ο Rosen πραγματοποίησαν ένα νοητό πείραμα σχετικά με την κβαντική διεμπλοκή.

Θεώρησαν 2 σωματίδια το Α και το Β που δεν είναι συνδεδεμένα σε ένα εργαστήριο στη γη. Αν το σωματίδιο Α μεταφερθεί σε ένα εργαστήριο στο αστρικό σύστημα του Άλφα Κενταύρου και το σωματίδιο Β στο σύστημα Βετελγόζης θα έχουν απόσταση 640 έτη φωτός.

Μετριέται το spin (στροφορμή λόγω περιστροφής)  του σωματιδίου Α και την ίδια στιγμή μετριέται και το spin του σωματιδίου Β. Αποδεικνύεται ότι τα δύο spin είναι αντίθετα. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων καμία πληροφορία δεν έχει περάσει μεταξύ των δύο αστρικών συστημάτων.

Σύμφωνα με το πείραμα αποδεικνύεται, πως δύο σωματίδια μπορούν όντως να αλληλεπιδράσουν ακόμα και από τόσο μεγάλη απόσταση.

Γάτα του Schrödiger

Το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής έχει προκαλέσει πολλούς επιστήμονες να πειραματιστούν με βάση αυτό.

Ένα από πρώτα και πιο διάσημα αποτελεί η γάτα του  Schrödiger. Το 1935, ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödiger, κατασκεύασε το πιο φημισμένο νοητό πείραμα που συνδέεται με την κβαντική διεμπλοκή. Μάλιστα ο ίδιος ο επιστήμονας επινόησε τον όρο “ διεμπλοκή” κατά την ανάπτυξη του πειράματος.

Ο Schrödiger νοητικά έβαλε μια γάτα μέσα σε ένα κουτί μαζί με έναν κβαντικό μηχανισμό, για τον οποίο υπάρχει 50% πιθανότητα να απελευθερώσει υδροκυάνιο. Ας πούμε πως μέσα από τη διάταξη του μηχανισμού περνάει ένα φωτόνιο.

Αν το φωτόνιο που περνά έχει την ιδιότητα Α τότε το υδροκυάνιο ελευθερώνεται και η γάτα πεθαίνει αν έχει τη Β τότε η γάτα παραμένει ζωντανή. Βρίσκεται λοιπόν στο περίφημο “superposition state”, μια κατάσταση την οποία δεν μπορούμε να γνωρίζουμε αν δεν ανοίξουμε το κουτί.

Πειραματική Επιβεβαίωση – Βραβείο Nobel  

Αν και πολλοί είναι αυτοί που έχουν ασχοληθεί με την κβαντική διεμπλοκή, η σπουδαιότερη προσπάθεια προήλθε από τον Alain Aspect και τους συνεργάτες του Νταλιμπάρ και Rogers το 1981,  οι οποίοι χρησιμοποίησαν διαπλεκόμενα φωτόνια σε απόσταση 12 μέτρων και μετρητές πόλωσης αντί για spin.

Με αυτό του το πείραμα ο  Aspect έδωσε τέλος στη 60χρονη διαμάχη του Einstein που αποκάλεσε την κβαντική διεμπλοκή  “spooky action at a distance” και του Bohr, πατέρα της κβαντικής φυσικής.

Το 2022 οι Aspect, Clauser & Zeilinger έλαβαν το Νόμπελ Φυσικής «για πειράματα με μπερδεμένα φωτόνια, που αποτελούν πρωτοπορία για την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας.

Συγκεκριμένα οι Alain Aspect από τη Γαλλία, Anton Zeilinger από την Αυστρία και John Clauser από τις ΗΠΑ θεωρούνται πρωτοπόροι στην απόδειξη της κβαντικής διεμπλοκής φαινόμενο που ο ίδιος ο Einstein αποκάλεσε “ απόκοσμο και τρομακτικό”.

H πρωτοτυπία του Aspect σε σχέση με τα διαπλεκόμενα φωτόνια σε συνδυασμό με τις ανακαλύψεις του Zeilinger, που τώρα επιτρέπουν τη χρήση της κβαντικής διεμπλοκής στην κβαντική κρυπτογράφηση και κβαντική τηλεμεταφορά και τη δουλειά τοu Clauser στην παραβίαση των ανισοτήτων του Bell, άνοιξαν ένα νέο μονοπάτι για τη χρήση αυτού του εξωπραγματικού φαινομένου για κοινωφελείς σκοπούς.

Χρήση Κβαντικής Διεμπλοκής

Εφόσον κατανοηθεί πλήρως η έννοια της κβαντικής διεμπλοκής και χρησιμοποιηθεί σωστά τότε μπορεί να υπάρξουν σπουδαία αποτελέσματα.

Ένας τομέας εφαρμογής είναι η κβαντική κρυπτογράφηση. Στην κοινή κρυπτογράφηση το πρόβλημα που υπάρχει είναι πως ένας τρίτος παράγοντας μπορεί να υποκλέψει πληροφορίες.

Αν όμως χρησιμοποιηθεί η διεμπλοκή με δύο διεμπλεκόμενα συστήματα που περιέχουν πληροφορίες τότε θα είναι αδύνατον να διαρρεύσουν πληροφορίες. Σε αυτό το σημείο αξίζει να αναφερθεί πως και η κλωνοποίηση ενός σωματιδίου είναι αδύνατη άρα αποκλείεται η υποκλοπή πληροφοριών με οποιοδήποτε μέσο.

Μια ακόμα πιθανή χρήση αυτού του μαγικού φαινομένου είναι η κβαντική τηλεμεταφορά. Πιο συγκεκριμένα, αναφερόμαστε στην ανταλλαγή κβαντικών πληροφοριών, ατόμων ή ηλεκτρονίων.

Βιβλιογραφία