Θεωρίες φυσικής

Κβαντική διεμπλοκή «κατά παραγγελία» για πρώτη φορά

Written by Δ.Μ.

Η κβαντική τεχνολογία υπόσχεται μεγάλα πράγματα για την ψηφιακή ασφάλεια και την υπολογιστική ισχύ, αλλά το ίδιο πράγμα στην οποία βασίζεται – κβαντική διεμπλοκή – έχει μέχρι στιγμής αποδειχθεί άκαμπτη για να είναι αξιόπιστα ελέγξιμη. Όμως μια νέα μέθοδος για την διεμπλοκή των σωματιδίων έχει ρυθμιστεί για να το αλλάξει αυτό, παρέχοντας όλες τις σημαντικές κβαντικές καταστάσεις όταν τις θέλουμε, όσο τις χρειαζόμαστε, δηλαδή «κατά παραγγελία» (on demand).

Share

Η κβαντική τεχνολογία υπόσχεται μεγάλα πράγματα για την ψηφιακή ασφάλεια και την υπολογιστική ισχύ, αλλά το ίδιο πράγμα στην οποία βασίζεται – η κβαντική διεμπλοκή – έχει μέχρι στιγμής αποδειχθεί άκαμπτη για να είναι  αξιόπιστα ελέγξιμη. Όμως μια νέα μέθοδος για την διεμπλοκή των σωματιδίων έχει ρυθμιστεί για να το αλλάξει αυτό, παρέχοντας όλες τις σημαντικές κβαντικές καταστάσεις όταν τις θέλουμε, όσο τις χρειαζόμαστε, δηλαδή «κατά παραγγελία» (on demand).

quantum-particles

Οι φυσικοί από το QuTech στο Ντελφτ στην Ολλανδία δεν είναι ξένοι στις ιδιοτροπίες της κβαντικής διεμπλοκής – το φαινόμενο όπου δύο σωματίδια συνδέονται άρρηκτα μεταξύ τους, έτσι ώστε ό, τι συμβαίνει σε κάποιο από αυτά να επηρεάζει άμεσα το άλλο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι, ένα φαινόμενο που ο Αϊνστάιν ονόμασε “στοιχειωμένη δράση από απόσταση”.

Το 2015, οι ίδιοι φυσικοί στο Delft “έκλεισαν”ένα ενοχλητικό παραθυράκι που θα μπορούσε να δείξει ότι ήταν λιγότερο «τρομακτικό» από ό, τι πρότεινε ποτέ ο Αϊνστάιν. Στο πείραμά τους τότε χρησιμοποίησαν μεταδιδόμενα φωτόνια για να κάνουν πεπλεγμένα δύο ηλεκτρόνια σε απόσταση 1,3 χιλιομέτρων.

Η προέλευση των φωτονίων και οι αποστάσεις ξεχωριστά χρησιμοποιήθηκαν για να δείξουν ότι όλη αυτή η μαγική πράξη ήταν πράγματι αληθινά περίεργη αλλά και πραγματική, επιβεβαιώνοντας πειραματικά την κβαντική διεμπλοκή χωρίς κανένα κενό για πρώτη φορά.

Όμως αυτή η ίδια μέθοδος ανάμειξης φωτονίων με ηλεκτρόνια έχει πλέον αποδειχτεί χρήσιμη με άλλο τρόπο – παίζουν βασικό ρόλο σε μια μέθοδο που μπορεί να παράγει 40 διεμπλοκές κατόπιν ζήτησης (on demand ) σε ένα δευτερόλεπτο.

“Αυτή η νέα μέθοδος είναι χίλιες φορές πιο γρήγοργ από ό, τι με την παλιά μέθοδο”,  λέει ο φυσικός Peter Humphreys. .

Η ίδια η διεμπλοκή σχηματίζεται χρησιμοποιώντας την αρχική της μέθοδο – δύο χωρισμένα ηλεκτρόνια που υπάρχουν σε μια αναποφάσιστη κατάσταση, που το καθένα τα κτυπάμε με ένα φωτόνιο.

Τα δύο φωτόνια στη συνέχεια συνδυάζονται σε ένα μόνο κύμα και “μεταφράζονται”, αποκαλύπτοντας έτσι πληροφορίες για τις καταστάσεις των δύο ηλεκτρονίων. Αν όλα πάνε καλά, τα ηλεκτρόνια μπορούν να θεωρηθούν πεπλεγμένα.

spooky-influence-distanceΑυτό δεν λειτουργούσε πάντα όπως είχε προγραμματιστεί, αλλά με κάποιους έξυπνους ελέγχους και ισορροπίες, η όλη διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί αρκετά γρήγορα ώστε να υποσχεθούν πεπλεγμένα σωματίδια.

“Οι έλεγχοι αυτοί κρατάνε ένα μόνο κλάσμα του συνολικού πειραματικού χρόνου, επιτρέποντάς μας να διασφαλίσουμε ότι το σύστημά μας είναι έτοιμο για διεμπλοκή, χωρίς καμία χειροκίνητη δράση”,  λέει ο επικεφαλής του σχεδίου , Ronald Hanson.

Για να πάρετε μια καλύτερη ιδέα για το πώς λειτουργεί η διαδικασία, αυτό το βίντεο την εξηγεί πολύ διασκεδαστικά .

Οι επιστήμονες στο Delft πραγματοποιούν την πρώτη σύνδεση “κατά παραγγελία

Πώς λειτουργεί αυτή η διαδικασία;

Φανταστείτε ότι αγοράζετε ένα ζευγάρι παπούτσια, αλλά κατά λάθος αφήνεται ένα από αυτά (αριστερό ή δεξιό) στο κατάστημα. Όταν φτάσετε στο σπίτι, θα γνωρίζετε αμέσως ποιό αφήσατε πίσω στο κατάστημα, απλώς κοιτάζοντας το κουτί.

Αυτό μοιάζει με την κβαντική διεμπλοκή. Καθώς αλληλεπιδρούν δύο σωματίδια, το καθένα θα επηρεάσει το άλλο με προβλέψιμο τρόπο. Μπορείτε να δείτε κάποιο από αυτά, για να προσδιορίσετε την κατάσταση του άλλου, είτε πρόκειται για ορμή είτε για ιδιοπεριστροφή ή την θέση.

Αυτό που μπέρδευε τον Αϊνστάιν ήταν η πρόταση των φυσικών ότι πριν κοιτάξετε μέσα στο κουτί αυτό το παπούτσι είναι ταυτόχρονα αριστερό και δεξιό.

Με άλλα λόγια, η πραγματικότητα, όπως την βιώνουμε, δεν έχει συγκεκριμένη κατάσταση μέχρι να μπορέσουμε να την μετρήσουμε. Τα σωματίδια έχουν σπιν προς τα πάνω και προς τα κάτω, έχουν πολλαπλές θέσεις και δεν έχουν μια συγκεκριμένη ορμή.

Έτσι, εξηγώντας το με μια κβαντική προοπτική, μόλις δείτε το αριστερό παπούτσι στο κουτί σας, αμέσως ξέρουμε ότι αυτό που έμεινε πίσω είναι το δεξί παπούτσι.

Ο Αϊνστάιν σκέφτηκε ότι αυτό το συμπέρασμα ήταν γελοίο. Φαντάστηκε ότι τα παπούτσια ήταν εκεί όλα μαζί. Άλλοι διαφώνησαν, πιστεύοντας ότι υπήρχε κάποια φυσική συνωμοσία ανάμεσα στα δύο παπούτσια που τα ώθησε να συμφωνήσουν την ίδια στιγμή που εσύ τα παρατήρησες.

Όσο περίεργο κι αν είναι, ο Αϊνστάιν εξακολουθεί να είναι σχεδόν σίγουρα λανθασμένος. Και πρέπει απλώς να το αντιμετωπίσουμε, επειδή η κβαντική διεμπλοκή έχει αποδειχθεί σωστή ξανά και ξανά.

Ευτυχώς αυτό το συνολικά αναποφάσιστο αριστερό παπούτσι-δεξιό παπούτσι είναι χρήσιμο. Ή μάλλον, τα μαθηματικά που περιγράφουν αυτή την αναποφάσιστη κατάσταση είναι χρήσιμη, αν εφαρμόσετε τα σωστά στατιστικά εργαλεία για να την αναλύσετε.

quantum_cube_concept_1024Κι αυτό είναι που βρίσκεται πίσω από την ιδέα ενός κβαντικού υπολογιστή – οι αναποφάσιστες κβαντικές καταστάσεις που ονομάζονται qubits κάνουν πολύ γρήγορα τη λύση των  προβλημάτων, που θα ήταν σχεδόν αδύνατο να γίνουν αν έπρεπε να τα λύσουμε με τον παλιό τρόπο χρησιμοποιώντας τα κανονικά 1s και 0s.

Γιατί εάν θέλουμε κβαντικούς υπολογιστές, θα χρειαστούμε ένα σύνθετο σύστημα κβαντικών πεπλεγμένων σωματιδίων Τα κανονικά δυαδικά ψηφία μπορούν να υπάρχουν σε δύο καταστάσεις – 1 ή 0. Τα qubits όμως βασίζονται επίσης στο δυαδικό σύστημα, αλλά χάρη στην διεμπλοκή τους, μπορούν να υπάρξουν σε μια υπέρθεση και των δύο καταστάσεων, αντί της μιας ή της άλλης, όπως πρέπει να κάνουν τα απλά bits.

Και η «τρομακτική» συνωμοσία του Αϊνστάιν πίσω από τις σκηνές της πραγματικότητας; Είναι επίσης χρήσιμο αν θέλετε να βεβαιωθείτε ότι κανένας δεν έχει ρίξει μια ματιά στο υπερ-μυστικό κρυπτογραφημένο μήνυμα  ή να μεταδώσει μια κατάσταση διεμπλοκής σε, κάτι σαν, ένα κβαντικό δίκτυο .

Αλλά το να κρατήσουμε τα σωματίδια σε κατάσταση “αριστερού παπουτσιού / δεξιού παπουτσιού” δεν είναι εύκολο. Η πραγματικότητα θέλει να ανοίξει αυτό το κουτί για εσάς.

Για αυτό το τελευταίο πείραμα είναι τόσο συναρπαστικό.

Αυτή η μέθοδος γρήγορης πυροδότησης, δοκιμής και σφάλματος συνδυάζεται με τρόπους για να διασφαλιστεί ότι η κβαντική κατάσταση προστατεύεται από εξωτερικές παρεμβολές, πράγμα που σημαίνει ότι για πρώτη φορά μπορεί να δημιουργηθεί διεμπλοκή γρηγορότερα από ότι αυτή χάνεται.

Ο γρήγορος ρυθμός στην κβαντική τεχνολογία είναι σημαντικός αν θέλουμε να ξεπεράσουμε τα πολυάριθμα εμπόδια για να κάνουμε την κβαντική υπολογιστική πραγματικότητα. Τρομακτική ή όχι, σιγά-σιγά κατακτάμε την εύθραυστη φύση της πραγματικότητας, bit με qubit.

Η έρευνα αυτή δημοσιεύθηκε στο Nature .

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share