Oops! It appears that you have disabled your Javascript. In order for you to see this page as it is meant to appear, we ask that you please re-enable your Javascript!
Θεωρίες φυσικής

Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά η κβαντική διεμπλοκή

Η κβαντική μηχανική και οι περίεργοι κανόνες της εξηγούν την δομή των ατόμων, του σχηματισμού των χημικών δεσμών, και το πώς τα τρανζίστορ λειτουργούν σαν διακόπτες στους μικροεπεξεργαστές. Είναι παράδοξο, όμως, ότι παρά το όνομα της θεωρίας, οι φυσικοί δεν είχαν ποτέ φτιάξει μια πραγματική μηχανή της οποίας η κίνηση να αιχμαλωτίζει την παραδοξότητα της κβαντικής μηχανικής.

Share

Η κβαντική μηχανική και οι περίεργοι κανόνες της εξηγούν την δομή των ατόμων, του σχηματισμού των χημικών δεσμών, και το πώς τα τρανζίστορ λειτουργούν σαν διακόπτες στους μικροεπεξεργαστές. Είναι παράδοξο, όμως, ότι παρά το όνομα της θεωρίας, οι φυσικοί δεν είχαν ποτέ φτιάξει μια πραγματική μηχανή της οποίας η κίνηση να αιχμαλωτίζει την παραδοξότητα της κβαντικής μηχανικής.

Στοιχειωμένη σύνδεση: Φυσικοί ‘σφυρηλάτησαν’ μια κβαντική σύνδεση που ονομάζεται διεμπλοκή μεταξύ των μηχανικών ταλαντώσεων ενός ζεύγους ιόντων και ενός άλλου μακρινού ζεύγος. Όλο το πείραμα κράτησε 14 χιλιοστά του δευτερολέπτου μόνο.

Η διεμπλοκή ή εμπλοκή είναι ένα παράδοξο κβαντικό φαινόμενο, το οποίο ο ίδιος ο Αϊνστάιν είχε χαρακτηρίσει «στοιχειωμένο», καθώς οι ιδιότητες (πχ το σπιν) δύο σωματιδίων ακόμα και σε μεγάλη απόσταση αλληλοεπηρεάζονται μυστηριωδώς, ακόμα και όταν αυτά απέχουν μεταξύ τους μεγάλες αποστάσεις. Οι φυσικοί ακόμα αγνοούν με ποιο τρόπο τα σωματίδια στέλνουν και μάλιστα με μια ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός μηνύματα το ένα στο άλλο..

Το νέο πείραμα γεφυρώνει το χάσμα ανάμεσα στον εξωπραγματικό κόσμο της κβαντομηχανικής, που βασίζεται στους νόμους των πιθανοτήτων και που οι φυσικοί επιμένουν ότι αποτελεί την «αληθινή» πραγματικότητα, και τους διαφορετικούς κλασικούς ή ντετερμινιστικούς νόμους της φυσικής πραγματικότητας που όλοι αντιλαμβανόμαστε με την καθημερινή εμπειρία μας.

Έτσι, τώρα μια ομάδα από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Κολοράντο, έχει κάνει ένα βήμα προς αυτή την κατεύθυνση να ‘σφυρηλατήσουν’ μια ευλύγιστη  να διαμορφώσει μια νοητική κβαντομηχανική σύνδεση μεταξύ δύο μικρών συσκευών. Οι συσκευές αυτές δεν μοιάζουν με ηλεκτρικά τρυπάνια ή άλλα γνωστά μηχανήματα, ωστόσο η κάθε μία είναι ένα ζευγάρι ιόντων που ταλαντώνεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο.

Η σύνδεση που δημιούργησαν οι ερευνητές ονομάζεται διεμπλοκή ή απλά εμπλοκή, και αυτή είχε δημιουργηθεί  από πριν ανάμεσα σε ορισμένες εσωτερικές ιδιότητες των κβαντικών σωματιδίων, όπως είναι το σπιν των ιόντων. Η νέα εργασία εκτείνει αυτή τη σύνδεση με την πραγματική κίνηση των ιόντων, το οποίο είναι ένα είδος μικρο-ανάλογο της αιώρησης ενός εκκρεμούς. «Για πρώτη φορά, η ίδια η μηχανική κίνηση έχει διεμπλακεί», λέει ο Rainer Blatt, πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία.

Για να την υπολογίσουν οι ερευνητές του NIST έλαβαν υπόψη τους δύο πολύ παράξενες ιδέες της κβαντικής μηχανικής. Πρώτον, ότι ένα αντικείμενο μπορεί να αποτελείται κυριολεκτικά από δύο αντιφατικές καταστάσεις την ίδια περίοδο. Έτσι, το σπιν ενός κβαντικού σωματιδίου – όπως ένα ιόν – μπορεί ταυτόχρονα να έχει δύο αντίθετες κατευθύνσεις – πάνω και κάτω. Αυτή η κατάσταση – η ανάμιξη δύο καταστάσεων συγχρόνως – λέγεται «υπέρθεση» διαρκεί μέχρι κάποιος ερευνητής να μετρήσει το σπιν του ιόντος, οπότε το σπιν του ιόντος αμέσως «καταρρέει» προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση (ή την πάνω ή την κάτω). Και το πιο παράξενο ακόμα είναι ότι δύο ιόντα μπορεί να τεθούν σε αυτές τις αβέβαιες καταστάσεις ή υπερθέσεις και, στη συνέχεια να συνδεθούν μεταξύ τους τα σπιν με ορισμένο τρόπο. Για παράδειγμα, αν μετρηθεί το σπιν του πρώτου ιόντος, οπότε η υπέρθεση καταρρέει. και βρεθεί πάνω τότε και η υπέρθεση του δεύτερου θα καταρρεύσει άμεσα και το σπιν του θα βρεθεί να είναι προς τα κάτω, ακόμη και αν είναι έτη φωτός μακριά από το πρώτο ιόν. Αυτή η σύνδεση ονομάζεται διεμπλοκή και όποιος θεωρεί ότι είναι δύσκολο να το το καταλάβει ας θυμηθούμε τον Αϊνστάιν που την χαρακτήρισε «στοιχειωμένη δράση από απόσταση.»

Μέχρι τώρα η κβαντική διεμπλοκή είχε παρατηρηθεί μόνο σε εσωτερικές ιδιότητες μικροσκοπικών συστημάτων, όπως στην πόλωση ενός ζεύγους φωτονίων ή στις τροχιές περιστροφής των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα των ατόμων.

Η ομάδα του NIST με επικεφαλής τον John Jost κατάφερε να δει την διεμπλοκή όχι μόνο σε φωτόνια και ηλεκτρόνια, αλλά σε κάτι πιο χειροπιαστό: στις κινήσεις δύο ζευγαριών ατόμων, δηλαδή σε ένα σύστημα που γενικά υπάρχει παντού στη φύση, όπως η δονούμενη χορδή ενός βιολιού ή το εκκρεμές ενός ρολογιού.

Η κβαντική αυτή διεμπλοκή αφορούσε τέσσερα ιόντα ανά δύο ζεύγη: δύο ιόντα βηρυλλίου και δύο ιόντα μαγνησίου σε απόσταση 240 μικρομέτρων, δηλαδή όσο το πλάτος λίγων τριχών, αλλά μια τεράστια απόσταση για τον ατομικό κόσμο. Χρησιμο
ποίησε δε ηλεκτρικά πεδία για να «χειραγωγήσει» τα τέσσερα ιόντα, σε μια συσκευή που αποκαλείται «παγίδα ιόντων»,

graphic showing the four steps

Στη συνέχεια εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο και 600 παλμούς λέιζερ για να διεμπλακούν τα σπιν μόνο των ιόντων του βηρυλλίου. Μετά από αυτό, όλα τα ιόντα χωρίζονται σε δύο ζεύγη βηρυλλίου – μαγνησίου, που θα είναι οι μηχανικές μικροσυσκευές τους.

Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το σπιν των δύο ιόντων του βηρυλλίου παρέμεινε σε διεμπλοκή, και στο επόμενο στάδιο οι ερευνητές μετέφεραν αυτή την διασύνδεση (εμπλοκή) στην κίνηση των δύο ζευγών ιόντων. Για να το πετύχουν περιόρισαν κάθε βηρύλλιο με ένα λέιζερ πάλι για να «περιστρέψουν» το σπιν που ήταν προς τα κάτω (το μισό της διχασμένης προσωπικότητας) προς τα πάνω, αφήνοντας όμως το τμήμα με το πάνω σπιν άθικτο. Όμως οι ερευνητές συντόνισαν την ενέργεια του λέιζερ, έτσι ώστε καθώς το τμήμα με το κάτω σπιν της κατάστασης του ιόντος βηρυλλίου άλλαζε, το φως του λέιζερ θα διεγείρει επίσης και τα ιόντα στο ζεύγος για να ταλαντωθούν.

Με αποτέλεσμα κάθε ιόν του βηρυλλίου να κατευθύνεται μόνο πάνω, αλλά κάθε ζεύγος βηρυλλίου -μαγνησίου να μείνει σε μια κατάσταση στην οποία συμβαίνουν και τα δύο : ταλαντεύονται και μη ταλαντεύονται (ανάμικτη κατάσταση). Επιπλέον, επειδή τα δύο σπιν του βηρυλλίου ξεκίνησαν την διεμπλοκή, τα δύο ζεύγη ιόντων που είναι στην ανάμικτη κατάσταση (ταλαντευόμενα και μη ταλαντευόμενα) κατέληξαν να έχουν κι αυτά διεμπλακεί.

Αυτό αναφέρουν οι ερευνητές στο περιοδικό Nature όπου δημοσιεύτηκε η αναφορά τους. .

“Είναι ένα καταπληκτικό πείραμα», λέει ο φυσικός Jack Harris του Πανεπιστημίου Γέηλ,, που προσπαθεί να δείξει κβαντικά φαινόμενα σε ακτίνες που πάλλονται  και άλλες «μακροσκοπικές» μηχανικές συσκευές. Στο πείραμα αυτό όμως εξηγεί αν και γίνεται διεμπλοκή της μηχανικής κίνησης, τα ιόντα τους εξακολουθούν να είναι ακόμα κβαντικά σωματίδια κι όχι μακροσκοπικά. Ο Harris ελπίζει να δοκιμάσει του κατά πόσον ορισμένες αρχές, που ως τώρα δεν έχουν βρεθεί ακόμα, απαγορεύει την κβαντική ‘παραξενιά’ σε αντικείμενα που περιέχουν πολλά δισεκατομμύρια άτομα.

Από την πλευρά τους, NIST ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιούν τα ιόντα σε έναν κβαντικό υπολογιστή που, χάρη στην κβαντική ‘παραξενιά’, θα μπορούσε να λύσει τα προβλήματα που έχουν οι συμβατικοί υπολογιστές. Ωστόσο, για να γίνει ένας κβαντικός υπολογιστής σαφώς είναι πιο δύσκολο από ό,τι μία υποτυπώδης κβαντική μηχανή.

Πηγή: ScienceNOW

Σχετικά άρθρα

1. Οι επιστήμονες καταδεικνύουν την κβαντική φύση της ανταλλαγής της εμπλοκής

2. Προχωράει η κβαντική τηλεμεταφορά

3. Για πρώτη φορά έγινε τηλεμεταφορά με άτομα

4. Φυσικοί μαθαίνουν πως να κάνουν τηλεμεταφορά και κβαντικό τηλεκλωνισμό συγχρόνως

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share