physics4u - Οι επιστήμονες καταδεικνύουν την κβαντική φύση της ανταλλαγής της εμπλοκής

Επιστήμονες έχουν βρει έναν τρόπο να φτιάξουν έναν κβαντικό επαναλήπτη, με το συγχρονισμό πολλαπλών λέιζερ και έπειτα την κατανομή τους σε διαφορετικές θέσεις. Η μέθοδος αυτή μπορεί να επεκτείνει κατά πολύ την απόσταση που μπορούν να ταξιδέψουν οι πληροφορίες στους κβαντικούς υπολογιστές, χρησιμοποιώντας την ανταλλαγή της διεμπλοκής, όπου τα σωματίδια μπορούν να γίνουν πεπλεγμένα χωρίς ποτέ να αλληλεπιδράσουν λόγω ενός σωματιδίου "μεσολαβητή ".

laser Σαν να μην έφτανε που η παλαιά κβαντική εμπλοκή ήταν πολύ περίεργη και παράξενη για τη σύγχρονη φυσική, τώρα οι φυσικοί εμπλέκουν και τα ήδη πεπλεγμένα σωματίδια. Στην ανταλλαγή της εμπλοκής, ένα σωματίδιο ενός πεπλεγμένου ζεύγους γίνεται με τη σειρά του πεπλεγμένο με ένα τρίτο σωματίδιο, το οποίο γίνεται πεπλεγμένο με το άλλο σωματίδιο του πρώτου ζεύγους, ακόμα κι αν τα δύο δεν αλληλεπιδρούν ποτέ. Οι φυσικοί διευκρινίζουν ότι αυτή η συμπεριφορά και οι χειρισμοί της γίνεται για να χρησιμοποιηθεί στις κβαντικές επικοινωνίες και τους υπολογισμούς υψηλής ταχύτητας.

Ακόμη και αν οι σημερινοί ισχυροί υπερυπολογιστές μπορούν να στείλουν πληροφορίες με ολοένα αυξανόμενες ταχύτητες, οι επιστήμονες προβλέπουν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα λειτουργούν εκατομμύρια φορές γρηγορότερα. Με τη βοήθεια των πεπλεγμένων φωτονίων, που συσχετίζονται στιγμιαία το ένα με το άλλο ακόμα και όταν βρίσκονται πολύ μακριά μεταξύ τους, οι επιστήμονες είναι στην ανάπτυξη μιας διαδικασίας που ονομάζουν κβαντική τηλεμεταφορά. Αυτήν την περίοδο, εντούτοις, οι φυσικοί μπορούν να τηλεμεταφέρουν πληροφορίες κάπου 150 χιλιόμετρα, περίπου, πριν αποδυναμωθεί η ένταση αυτών των σημάτων και χαθεί η σύνδεση.

Ένας τρόπος να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της απώλειας των σημάτων είναι να τοποθετηθούν κβαντικοί επαναλήπτες κατά μήκος του κβαντικού καναλιού, όπου η πληροφορία που μεταφέρεται όταν ένα φωτόνιο που ανήκει σε ένα πεπλεγμένο ζευγάρι μπορεί "να ανταλλάξει" τον πεπλεγμένο συνεργάτη του με ένα άλλο σωματίδιο κάπου κοντά, και αυτό να συνεχιστεί σε όλο το κβαντικό κανάλι. Το διπλά μυστηριώδες μέρος της ανταλλαγής της εμπλοκής είναι ότι τα πεπλεγμένα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν ποτέ στην κανονική εμπλοκή, τα σωματίδια πρέπει να αλληλεπιδράσουν και έπειτα να διαχωριστούν πριν επιδείξουν τη συσχετική συμπεριφορά. Οποιοδήποτε είδος εμπλοκής παραβιάζει τον τοπικό ρεαλισμό (μη τοπικότητα). Η θεωρία αυτή μας λέει ότι οι πληροφορίες πρέπει να ανταλλαχθούν μόνο μέσω αλληλεπιδράσεων σωματιδίων στα άμεσα περίχωρα ενός συστήματος.

Τώρα για πρώτη φορά, ο φυσικός Tao Yang μαζί με άλλους στην Κίνα έχουν παραγάγει ζεύγη φωτονίων που δημιουργούνται με την ανταλλαγή της εμπλοκής χρησιμοποιώντας τις πολλαπλές, απολύτως ανεξάρτητες πεπλεγμένες πηγές φωτονίων (στα προηγούμενα πειράματα χρησιμοποίησαν μια απλή πηγή φωτονίων, η οποία δεν επιβεβαιώνει πλήρως την μη-αλληλεπίδραση). Στη μελέτη τους που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters, η ομάδα σχεδίασε ένα πείραμα για να δείξει ότι τα πεπλεγμένα φωτόνια που μοιράζονται τις πληροφορίες σε ένα κανάλι δεν αλληλεπιδρούν ποτέ αληθινά.

"Είναι πολύ δύσκολο να γίνει κατανοητό πώς ταξιδεύει η πληροφορία μέσω των πεπλεγμένων σωματιδίων, ακόμη και για τους φυσικούς", λέει το μέλος της ομάδας Jian-Wei Pan. "Αλλά αυτό συνέβη στα πειράματα. Πιστεύουμε ότι οι πληροφορίες ταξιδεύουν μέσω δύο καναλιών: το κβαντικό κανάλι με την συσχετισμένη διεμπλοκή, και το κλασσικό κανάλι. Έτσι οι πληροφορίες δεν μπορούν να μεταφερθούν με μεγαλύτερη ταχύτητα από του φωτός."

Το κλειδί για την ανάπτυξη των κβαντικών επαναληπτών που επιτυγχάνουν την ανταλλαγή της εμπλοκής είναι να φτιαχτούν πηγές φωτονίων που είναι ταυτόχρονα τέλεια συγχρονισμένες και απολύτως ανεξάρτητες - ένας προκλητικός πειραματικός άθλος. Για να δοκιμάσουν αυτή την πρόκληση, οι φυσικοί συγχρόνισαν αρχικά τους παλμούς από δύο λέιζερ - αντλίες, ο ένας κοντά στον άλλο, και τοποθέτησαν έπειτα τα λέιζερ σε διαφορετικά τμήματα στο κανάλι.

Η ομάδα συγχρόνισε τα δύο λέιζερ με έναν συγχρονισμό με σφάλμα λιγότερο από 2 femtoseconds ή 10^-15 δευτερόλεπτα, και διατήρησε τον συγχρονισμό για περισσότερο από 24 ώρες. Αυτή η "τέλεια παρεμβολή" των πολλαπλών πηγών φωτονίων επέτρεψε στους φυσικούς να παραβιάσουν έναν όρο της ανισότητας Bell, (η ανισότητα Bell θέτει ένα όριο στην ισχύ των συσχετισμών μεταξύ των απόμακρων σωματιδίων, βασισμένων στον τοπικό ρεαλισμό. Μέρος της ανισότητας του Bell περιλαμβάνει ότι τα απόμακρα σωματίδια δεν μπορούν να ανταλλάξουν τις πληροφορίες γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός - ενώ η διεμπλοκή εμφανίζεται αμέσως. Η παραβίαση της ανισότητας του Bell σε αυτό το πείραμα επέτρεψε στους φυσικούς να παραγάγουν και να ανταλλάξουν έπειτα πεπλεγμένα ζευγάρια φωτονίων, μαζί με τις πληροφορίες που 'κουβαλούσαν' μέσα τους.

"Με τα συγχρονισμένα πολλαπλά λέιζερ και τις πεπλεγμένες πηγές φωτονίων, η απόσταση των κβαντικών επικοινωνιών μπορεί να επεκταθεί αρκετά καλά", αναφέρει ο Pan. "Η συνολική απόσταση εξαρτάται από τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων λέιζερ".

Με έναν κβαντικό επαναλήπτη - που περιέχει μια ανεξάρτητη, συγχρονισμένη πηγή φωτονίων - και που βρίσκεται σε περιοδικές θέσεις κατά μήκος του καναλιού, ένα υπολογιστικό σήμα θα κερδίσει μια ισχύ, που θα του επιτρέψει να συνεχίσει προς τον προορισμό του. Από μία άποψη, η ανταλλαγή της εμπλοκής είναι μοιάζει σαν να τροφοδοτούμε με καύσιμα το αυτοκίνητο σε ένα βενζινάδικο - αλλά μπορούμε να παραλείψουμε όλη την οδήγηση ενδιάμεσα.