Ένα μόνο φωτόνιο αποκαλύπτει την κβαντική εμπλοκή 16 εκατομμυρίων ατόμων.
Η κβαντική θεωρία προβλέπει ότι ένας τεράστιος αριθμός ατόμων μπορεί να εμπλακεί και να αλληλοσυνδεθεί με μια πολύ ισχυρή κβαντική σχέση, ακόμα και σε μια μακροσκοπική δομή. Μέχρι τώρα, ωστόσο, τα πειραματικά στοιχεία λείπουν, αν και οι πρόσφατες πρόοδοι έχουν δείξει την εμπλοκή 2.900 ατόμων. Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Γενεύης (UNIGE) στην Ελβετία επανεξέταξαν πρόσφατα την επεξεργασία δεδομένων τους, αποδεικνύοντας ότι 16 εκατομμύρια άτομα μπλέχτηκαν σε ένα μόνο εκατοστό. Έχουν δημοσιεύσει τα αποτελέσματά τους στο Nature Communications.
Οι νόμοι της κβαντικής φυσικής επιτρέπουν την άμεση ανίχνευση όταν τα εκπεμπόμενα σήματα παρεμποδίζονται από ένα τρίτο μέρος. Αυτή η ιδιότητα είναι ζωτικής σημασίας για την προστασία των δεδομένων, ειδικά στον κλάδο κρυπτογράφησης, ο οποίος μπορεί τώρα να εγγυηθεί ότι οι πελάτες θα γνωρίζουν την παρακράτηση των μηνυμάτων τους από μη εξουσιοδοτημένα άτομα.
Αυτά τα σήματα πρέπει επίσης να είναι σε θέση να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις χρησιμοποιώντας ειδικές συσκευές ρελέ, γνωστές ως κβαντικοί επαναλήπτες-κρύσταλλοι εμπλουτισμένοι με άτομα σπάνιων γαιών και ψύχθηκαν σε 270 βαθμούς κάτω από το μηδέν, των οποίων τα άτομα εμπλέκονται και ενοποιούνται από μια πολύ ισχυρή κβαντική σχέση. Όταν ένα φωτόνιο διεισδύει σε αυτό το μικρό κρυστάλλινο μπλοκ, δημιουργείται μεταξύ των δισεκατομμυρίων ατόμων που διασχίζει. Αυτό προβλέπεται ρητά από τη θεωρία και είναι ακριβώς αυτό που συμβαίνει καθώς ο κρύσταλλος εκπέμπει εκ νέου ένα μόνο φωτόνιο χωρίς να διαβάζει τις πληροφορίες που έχει λάβει.
Είναι σχετικά εύκολο να μπλέξετε δύο σωματίδια: Για παράδειγμα, η διάσπαση ενός φωτονίου παράγει δύο εμπλεγμένα φωτόνια τα οποία έχουν πανομοιότυπες ιδιότητες και συμπεριφορές. Ο Florian Fröwis, ερευνητής της ομάδας εφαρμοσμένης φυσικής στην επιστημονική σχολή της UNIGE, λέει: “Είναι αδύνατο να παρατηρήσετε άμεσα τη διαδικασία εμπλοκής μεταξύ αρκετών εκατομμυρίων ατόμων, καθώς η μάζα των δεδομένων που χρειάζεται να συλλέξετε και να αναλύσετε είναι τόσο τεράστια”.
Ως αποτέλεσμα, ο Fröwis και οι συνάδελφοί του επέλεξαν μια πιο έμμεση οδό, αναλογιζόμενοι τις μετρήσεις που θα μπορούσαν να αναληφθούν και ποιες θα ήταν οι πλέον κατάλληλες.
Εξέτασαν τα χαρακτηριστικά του φωτός που εκπέμπονταν εκ νέου από τον κρύσταλλο, καθώς και την ανάλυση των στατιστικών ιδιοτήτων του και των πιθανοτήτων που ακολούθησαν δύο μεγάλες διευθύνσεις – ότι το φως εκπέμπεται εκ νέου προς μία κατεύθυνση, αντί να ακτινοβολείται ομοιόμορφα από τον κρύσταλλο και ότι αποτελείται από ένα μόνο φωτόνιο.
Με αυτό τον τρόπο, οι ερευνητές πέτυχαν να δείξουν την εμπλοκή 16 εκατομμυρίων ατόμων, όταν οι προηγούμενες παρατηρήσεις είχαν ένα ανώτατο όριο μερικών χιλιάδων. Σε ένα παράλληλο έργο, οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Κάλγκαρι, στον Καναδά, επέδειξαν εμπλοκή μεταξύ πολλών μεγάλων ομάδων ατόμων. «Δεν έχουμε αλλάξει τους νόμους της φυσικής”, λέει ο Mikael Afzelius, μέλος της ομάδας εφαρμοσμένης φυσικής. “Αυτό που έχει αλλάξει είναι πώς χειριζόμαστε τη ροή των δεδομένων».
Η εμπλοκή σωματιδίων αποτελεί προϋπόθεση για την κβαντική επανάσταση που βρίσκεται στον ορίζοντα, η οποία επίσης θα επηρεάσει τους όγκους των δεδομένων που κυκλοφορούν στα μελλοντικά δίκτυα, μαζί με τον τρόπο λειτουργίας και λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών. Όλα, στην πραγματικότητα, εξαρτώνται από τη σχέση μεταξύ δύο σωματιδίων στο κβαντικό επίπεδο – μια σχέση που είναι πολύ ισχυρότερη από τις απλές συσχετίσεις που προτείνονται από τους νόμους της παραδοσιακής φυσικής.
Αν και η έννοια της εμπλοκής μπορεί να είναι δύσκολο να κατανοηθεί, μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας ένα ζευγάρι κάλτσες. Φανταστείτε έναν φυσικό που φοράει πάντα δύο κάλτσες διαφορετικών χρωμάτων. Όταν εντοπίζετε μια κόκκινη κάλτσα στον δεξιό αστράγαλο, μπορείτε επίσης να μάθετε αμέσως ότι η αριστερή κάλτσα δεν είναι κόκκινη. Με άλλα λόγια, υπάρχει μια συσχέτιση, ανάμεσα στις δύο κάλτσες. Στην κβαντική φυσική, εμφανίζεται μια απείρως ισχυρότερη και μυστήρια συσχέτιση – εμπλοκή.
Τώρα, φανταστείτε ότι υπάρχουν δύο φυσικοί στα δικά τους εργαστήρια, με μεγάλη απόσταση που χωρίζει τους δύο. Κάθε επιστήμονας έχει ένα φωτόνιο. Εάν τα δύο αυτά φωτόνια βρίσκονται σε κατάσταση εμπλοκής , οι φυσικοί θα δουν μη τοπικές κβαντικές συσχετίσεις, τις οποίες η συμβατική φυσική δεν είναι σε θέση να εξηγήσει. Θα διαπιστώσουν ότι η πόλωση των φωτονίων είναι πάντα αντίθετη (όπως και με τις κάλτσες στο παραπάνω παράδειγμα) και ότι το φωτόνιο δεν έχει εσωτερική πόλωση. Η πόλωση που μετράται για κάθε φωτόνιο είναι επομένως εντελώς τυχαία και ουσιαστικά αόριστη πριν μετρηθεί. Αυτό είναι ένα μη συστηματικό φαινόμενο που συμβαίνει ταυτόχρονα σε δύο τοποθεσίες που απέχουν πολύ – και αυτό είναι ακριβώς το μυστήριο του κβαντικού συσχετισμού.
