Διεμπλοκές σωματίων δημιουργούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός

Από την έκδοση FOCUS του Physical Review, Ιανουάριος 2002

Η διεμπλοκή ή ο συσχετισμός (entanglement), το φαινόμενο κατά το οποίο πολύ απομακρυσμένα σωμάτια εμφανίζονται να επηρεάζει το ένα το άλλο ακαριαία, είναι μια ευαίσθητη διαδικασία, τη οποία με δυσκολία μπορούμε να προετοιμάσουμε και να διαχειριστούμε. Σύμφωνα όμως με κάποιους ερευνητές και την εργασία που δημοσίευσαν στο τεύχος της 30ης Δεκεμβρίου του περιοδικού Physical Review Letters, ακόμη και η απλή κίνηση με πολύ μεγάλη ταχύτητα, μπορεί να δημιουργήσει διεμπλοκή σε σωμάτια τα οποία φαινομενικά δεν είχαν είχαν κανένα συσχετισμό όταν βρίσκονταν σε ηρεμία. Το γεγονός αυτό μπορεί να βοηθήσει στον συγχρονισμό ατομικών ρολογιών τα οποία βρίσκονται σε δορυφόρους και να οδηγήσει σε νέους τρόπους δημιουργίας διεμπλοκής σε μελλοντικές εφαρμογές. 

Αν ένα ζευγάρι σωματιδίων είναι διαπεπλεγμένα (συσχετισμένα), η μέτρηση μιας ιδιότητας στο ένα εξ αυτών, όπως πχ. του σπιν, μπορεί να επηρεάσει το άλλο σωματίδιο, ανεξάρτητα του πόσο μακριά βρίσκεται. Διεμπλοκή μπορεί επίσης να υπάρχει μεταξύ δύο ξεχωριστών ιδιοτήτων ενός σωματιδίου, όπως πχ. το σπιν και η ορμή. Κατ' αρχήν, απλά σωματίδια ή ζεύγη, μπορούν να διαπλεχθούν, μέσω οποιουδήποτε συνδυασμού των κβαντικών ιδιοτήτων τους. Η ένταση του κβαντικού αυτού συνδέσμου ποικίλλει από μερική έως πλήρης. Οι ερευνητές αρχίζουν τώρα να κατανοούν πως συνδέεται η διεμπλοκή με την θεωρία της σχετικότητας. έμαθαν ότι ο βαθμός της διεμπλοκής μεταξύ του σπιν και της ορμής σε ένα μεμονωμένο σωματίδιο μπορεί να μεταβληθεί με την μεταβολή της ταχύτητας (δηλαδή με την παρατήρησή του από ένα άλλο σύστημα αναφοράς κινούμενο με διαφορετική ταχύτητα), αλλά δεν ήταν σίγουροι για το τι συμβαίνει με δύο σωματίδια.
 

Οι Robert Gingrich και Christoph Adami του εργαστηρίου προώθησης στην Pasadena, λένε ότι η αύξηση της ταχύτητας μπορεί να δημιουργήσει διεμπλοκή μεταξύ του σπιν ή της ορμής ή και των δύο, μεταξύ δύο σωματιδίων τα οποία δεν είχαν καμιά διεμπλοκή όταν ξεκίνησαν. Η μεταβολή της ταχύτητας μπορεί επίσης να ενισχύσει την διεμπλοκή στα σπιν εις βάρος της διεμπλοκής των ορμών είτε και να ελαττώσει και τις δύο διεμπλοκές. " Όταν μπορείς να δημιουργήσεις διεμπλοκή, απλώς κινούμενος ως προς αυτό που μετράς, τότε φαινομενικά έχεις δημιουργήσει κάτι εκ του μηδενός" λέει ο Gingrich. 

Φυσικά δεν ξεκινάμε από το "μηδέν". Το παράξενο φαινόμενο συμβαίνει μόνο αν τα σωματίδια του ζεύγους ξεκινούν διαπεπλεγμένα ως προς κάποιο σύνολο γνωρισμάτων τους τα οποία όμως δεν μετρούνται. Για παράδειγμα, το σπιν του ενός σωματιδίου μπορεί να είναι διαπεπλεγμένο με την ορμή του άλλου, χωρίς να υπάρχει καμιά διεμπλοκή μεταξύ των δύο σπιν ή των δύο ορμών. Ένα ζευγος σωματιδίων έχει μια μεγάλη διεμπλοκή η οποία περιλαμβάνει όλους τους δυνατούς συνδυασμούς διεμπλοκής σπιν και ορμής, και η οποία παραμένει σταθερή όταν αυξάνεται η ταχύτητα του συστήματος. Αλλά η αλλαγή του συστήματος αναφοράς μεταβάλλει τις διάφορες συνιστώσες της συνολικής διεμπλοκής, κατά τρόπο που δεν κατανοούμε παρά ελάχιστα. Οι Gingrich και Adami δείχνουν ότι η προϋπάρχουσα συνολική διεμπλοκή, μπορεί να συγκεντρωθεί ολόκληρη στο σπιν, κι έτσι φαινομενικά να δημιουργηθεί διεμπλοκή των σπιν από το τίποτα. 

Ο Gingrich λέει ότι το φαινόμενο αυτό προσφέρει έναν απλό τρόπο να δημιουργήσουμε διαπεπλεγμένα σωματίδια σε πειράματα τηλεμεταφοράς και για τις ανάγκες των κβαντικών υπολογιστών. Η θεωρία αυτή επίσης θα βοηθήσει στη δημιουργία κβαντικών τεχνικών για τον συγχρονισμό ατομικών ρολογιών σε δορυφόρους, οι οποίοι έχουν ελαφρά διαφορετικούς χρόνους εξαιτίας των σχετικών τους κινήσεων. 

Η νέα αυτή εργασία είναι μια σημαντική συνεισφορά στον μικρό αλλά αναπτυσσόμενο κλάδο της σχετικιστικής κβαντικής θεωρίας πληροφορίας. Κάποιοι ερευνητές σπεύδουν να κάνουν λόγο και για μελέτες που θα συνδυάζουν την διεμπλοκή με την βαρύτητα, η οποία περιγράφεται από την θεωρία της σχετικότητας. Ένα ισχυρό πεδίο βαρύτητας μπορεί πραγματικά να δημιουργήσει διαπεπλεγμένα σωματίδια. Αυτά μάλιστα που κατορθώνουν να διαφύγουν από την έλξη του πεδίου αποτελούν την λεγόμενη ακτινοβολία Hawking. Ο Gerard Milburn του πανεπιστημίου της Queensland, στην St. Lucia της Αυστραλίας, λέει ότι θα ήταν πολύ ενδιαφέρον αν κάτι τέτοιο μπορούσε ν' αποδειχτεί και η ακτινοβολία Hawking να προκύψει ως συνέπεια της κβαντικής πληροφορίας στον καμπύλο χωροχρόνο. 

Αναφορά.
Quantum entanglement of moving bodies
Robert M. Gingrich and Christoph Adami
Phys. Rev. Lett. 89, 270402