Κβαντική πληροφορία: Οι κανόνες για ένα πολύπλοκο κβαντικό κόσμο
Άρθρο ανασκόπησης για την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας σε 5 μέρη

Άρθρο του Michael A. Nielsen, από την ιστοσελίδα του Scientific American.com, Ιανουάριος 2004

1o, 2ο, 3ο, 4ο, 5ο

Κατά τις προηγούμενες δεκαετίες οι φυσικοί έμαθαν ότι απλοί σχετικά κανόνες μπορούν να γεννήσουν μια πολύ πλούσια συμπεριφορά. Πάρτε για παράδειγμα το σκάκι. Οι κανόνες του είναι σχετικά απλοί, αλλά αποκλείεται μόνο μ' αυτούς να μπορέσετε να κερδίσετε έναν έμπειρο παίκτη. Υπάρχουν άλλοι κανόνες στρατηγικής που ανήκουν σε μια ανώτερη δομή από τους κανόνες του παιχνιδιού. Αυτοί είναι εκείνοι που γεννούν και την πολυπλοκότητα και την ομορφιά του παιγνιδιού. 

Οι επιστήμονες σήμερα στην περιοχή της κβαντομηχανικής μοιάζουν με τους σκακιστές που μαθαίνουν αργά αλλά σταθερά να παίζουν καλά. Ξέρουμε τους κανόνες της κβαντομηχανικής εδώ και 70 χρόνια, και έχουμε κάνει και μερικές έξυπνες κινήσεις. Αλλά μόνο βαθμιαία μαθαίνουμε τις αρχές ανωτέρου επιπέδου που διέπουν την πολυπλοκότητα του κβαντικού κόσμου. 

Η ανακάλυψη αυτών των αρχών είναι ο στόχος της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας. Τα περισσότερα άρθρα για την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας εστιάζουν σε τεχνολογικές εφαρμογές, όπως η τηλεμεταφορά κβαντικών καταστάσεων από μια θέση σε μια άλλη. Άλλοι φυσικοί χρησιμοποιούν κβαντικές καταστάσεις για να δημιουργήσουν κρυπτογραφικά κλειδιά που να είναι απολύτως ασφαλή, και άλλοι γράφουν αλγόριθμους για τους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος.  

Όσο ελκυστικές κι αν είναι αυτές οι νέες τεχνολογίες, δεν παύουν να κρύβουν το γεγονός ότι είναι παραπροϊόντα της αναζήτησης βαθιών νέων επιστημονικών θεμάτων. Παίζουν ένα ρόλο παρόμοιο με τις ατμομηχανές και τις άλλες μηχανές που ξεπήδησαν κατά την ανάπτυξη της θερμοδυναμικής το 18ο και 19ο αιώνα.

Η Θερμοδυναμική αναπτύχθηκε προσπαθώντας να απαντήσει στα βαθιά ερωτήματα: Πως σχετίζονται η θερμότητα, η ενέργεια και η θερμοκρασία και πως γίνονται οι μετασχηματισμοί των διαφόρων μορφών ενέργειας. Ποιος ο ρόλος της εντροπίας κλπ. 

Παρόμοια οι επιστήμονες της κβαντικής πληροφορίας ζητούν τη σχέση μεταξύ κλασσικών και κβαντικών μονάδων πληροφορίας, τους νέους τρόπους επεξεργασίας της κβαντικής πληροφορίας, και την ουσιώδη σημασία ενός κβαντικού χαρακτηριστικού που λέγεται διεμπλοκή. Συχνά η διεμπλοκή παρουσιάζεται ως μία ιδιότητα "όλα ή τίποτα", κατά την οποία τα κβαντικά σωματίδια είτε είναι διαπλεγμένα είτε δεν είναι.

Η επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας μας αποκάλυψε ότι η διεμπλοκή είναι μια ποσοτική ιδιότητα σαν την ενέργεια. Άλλα συστήματα έχουν μικρή διεμπλοκή και άλλα μεγάλη. Όσο περισσότερη διαθέσιμη διεμπλοκή έχει ένα σύστημα, τόσο πιο κατάλληλο είναι για τη διαχείριση της κβαντικής πληροφορίας.

Παράλληλα οι ερευνητές έχουν αρχίσει να διατυπώνουν και τους πρώτους ισχυρούς νόμους που αφορούν τη διεμπλοκή. Αυτή η περιγραφή βοηθάει να καταλάβουμε πως μπορούμε να επεξεργαστούμε την κβαντική πληροφορία. 

Η επιστήμη όμως της κβαντικής πληροφορίας είναι αρκετά νέα, ώστε οι επιστήμονες διαφωνούν ποια θέματα βρίσκονται στο κέντρο της. Η προσωπική άποψη του συγγραφέα είναι ότι ότι πρέπει να αναζητηθούν γενικές αρχές όπως π.χ. οι νόμοι της διεμπλοκής, που θα μας βοηθήσουν να καταλάβουμε την πολυπλοκότητα στα κβαντικά συστήματα. 

Πολυπλοκότητα και κβάντα

Πολλές μελέτες για την πολυπλοκότητα επικεντρώνονται σε συστήματα όπως του καιρού, τα οποία είναι μάλλον κλασσικά συστήματα παρά κβαντικά. Η εστίαση αυτή είναι φυσική γιατί τα περισσότερα πολύπλοκα συστήματα που συναντάμε είναι μακροσκοπικά, περιέχουν δηλαδή πολλά συστατικά μέρη, και είναι αλήθεια ότι όσο μεγαλώνει το μέγεθος των συστημάτων, τόσο χάνουν την κβαντική τους συμπεριφορά και γίνονται κλασσικά.

Αυτή η μετάβαση από το κβαντικό στο κλασσικό συμβαίνει γιατί τα πολύ μεγάλα κβαντικά συστήματα, αλληλεπιδρούν γενικά με το περιβάλλον τους, και συμβαίνει μια διαδικασία που λέγεται αποσυμφωνία (ή καταστροφή της υπέρθεσης), η οποία καταστρέφει τις κβαντικές ιδιότητες. 

Ως παράδειγμα για την καταστροφή της υπέρθεσης θεωρείστε το περίφημο παράδειγμα του Erwin Schrödinger της γάτας που βρίσκεται σε μια παράξενη κβαντική κατάσταση μέσα σ' ένα κουτί.  Η γάτα είναι σε μια κβαντική κατάσταση στην οποία είναι ζωντανή και νεκρή συγχρόνως.

Σ' ένα πραγματικό πείραμα ωστόσο, η γάτα αλληλεπιδρά με το δοχείο ανταλλάσσοντας φως, θερμότητα και ήχο και το δοχείο με τη σειρά του αλληλεπιδρά με τον υπόλοιπο κόσμο. Μέσα σε νανοδευτερόλεπτα, οι διαδικασίες αυτές καταστρέφουν τις εύθραυστες κβαντικές καταστάσεις μέσα στο δοχείο και τις αντικαθιστούν με διακριτές καταστάσεις οι οποίες με καλή προσέγγιση υπακούουν στους κλασσικούς νόμους. Η γάτα τώρα μεταπίπτει σε κατάσταση που είναι είτε ζωντανή είτε νεκρή αλλά όχι πια σε συνδυασμό των δύο αυτών καταστάσεων.  

Το κλειδί για να δούμε πραγματικά κβαντική συμπεριφορά σε ένα πολύπλοκο σύστημα είναι να απομονώσουμε εξαιρετικά καλά το σύστημα από τον εξωτερικό κόσμο, εμποδίζοντας έτσι την καταστροφή της υπέρθεσης.

Η απομόνωση αυτή είναι σχετικά εύκολο να επιτευχθεί με μικρά συστήματα όπως είναι τα άτομα που αιωρούνται μέσα σε μαγνητικά πεδία στο κενό αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να επιτευχθεί με τα μεγαλύτερα συστήματα που δείχνουν πολύπλοκη συμπεριφορά.

Διάφορες μεμονωμένες περιπτώσεις όπως είναι η υπεραγωγιμότητα και το κβαντικό φαινόμενο Hall, αποτελούν παραδείγματα στα οποία οι φυσικοί έχουν πετύχει μεγάλου μεγέθους, καλά απομονωμένα κβαντικά συστήματα.

Τα φαινόμενα αυτά δείχνουν ότι οι απλοί κανόνες της κβαντικής μηχανικής γεννούν νέες αρχές που διέπουν τις πολύπλοκες συμπεριφορές. 

Πρόσθετο κείμενο

Η πληροφορία δεν είναι καθαρά μαθηματική υπόθεση. Πάντα έχει και ένα φυσικό περιεχόμενο. Στη παραδοσιακή επιστήμη της  πληροφορίας, το φυσικό περιεχόμενο ακολουθεί την κλασσική μη κβαντική φυσική. Η επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας βάζει την πληροφορία σε κβαντική αντιμετώπιση.

Η βασική πηγή της κλασσικής πληροφορίας είναι το μπιτ, το οποίο είναι πάντα είτε 0 είτε 1. Η κβαντική πληροφορία έρχεται πάντα σε κβαντικά μπιτς ή qubits. . Τα qubits μπορούν να υπάρχουν σε υπερθέσεις που περιέχουν συγχρόνως το 0 και το 1. Μπορούν επίσης να διεμπλέκονται.  Ένα  Bit μπορεί να έχει μόνο μια εκ των δύο τιμών:  0 ή 1. Μπορεί δε να παριστάνεται αφηρημένα από ένα βέλος που κοιτάζει επάνω ή κάτω ή να αντιπροσωπεύεται από ένα διακόπτη τρανζίστορ που μπορεί να είναι ανοικτός ή κλειστός.  Εικόνα 1. Ένα qubit, η κβαντική εκδοχή ενός bit, έχει πολλές περισσότερες καταστάσεις. Οι καταστάσεις μπορούν να παρασταθούν με ένα βέλος που δείχνει προς μια τοποθεσία επί της σφαίρας. Ο Βόρειος πόλος ισοδυναμεί με την κατάσταση 1, ο Νότιος πόλος με το 0. Οι άλλες τοποθεσίες είναι κβαντικές υπερθέσεις του 0 και του 1.  Ένα qubit μπορεί να φαίνεται ότι περιέχει άπειρο ποσό πληροφορίας γιατί οι συντεταγμένες του μπορούν να κωδικοποιήσουν μια άπειρη ακολουθία ψηφίων. Αλλά η πληροφορία από ένα qubit πρέπει να εξαχθεί με κάποια μέτρηση. Όταν το qubit μετρηθεί, η κβαντομηχανική απαιτεί ότι το αποτέλεσμα θα είναι πάντα ένα συνηθισμένο 0 ή 1. Η πιθανότητα για κάθε αποτέλεσμα από τα δύο εξαρτάται από το "γεωγραφικό πλάτος" του qubit πάνω στη σφαίρα αναπαράστασης. 1o, 2ο, 3ο, 4ο, 5ο Βιβλιογραφία Quantum Theory and Measurement. Edited by John A. Wheeler and Wojciech H. Zurek. Contains reprints of landmark papers, including a translation of Erwin Schrφdinger's 1935 "cat paradox" paper. Princeton University Press, 1983. The Fabric of Reality. David Deutsch. Penguin Books, 1998. The Bit and the Pendulum. Tom Siegfried. John Wiley & Sons, 2000. Quantum Computation and Quantum Information. Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang. Cambridge University Press, 2000.  Για τον συγγραφέα:  Ο Michael A. Nielsen είναι καθηγητής στο τμήμα φυσικής στο πανεπιστήμιο Queensland στο  Brisbane της Αυστραλίας. Γεννημένος στο Brisbane, πήρε το διδακτορικό του από το πανεπιστήμιο του New Mexico το1998. Έγραψε μαζί με τον Isaac L. Chuang του ΜΙΤ το πρώτο βιβλίο πάνω στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας προοριζόμενο για  σπουδαστές: "Κβαντικοί υπολογισμοί και κβαντική πληροφορία"