Από τη διατύπωση της, τη δεκαετία του 1920, η κβαντική θεωρία έχει δώσει αφορμές για αμέτρητες συζητήσεις σχετικά με το περιεχόμενο και τη σωστή ερμηνεία της. Οι συζητήσεις αυτές επικεντρώνονται σε θέματα όπως το περίφημο παράδοξο EPR (Einstein-Podolsky-Rosen), την κβαντική μη-τοπικότητα, και τον ρόλο της μέτρησης στην κβαντική φυσική.
Τα τελευταία χρόνια ωστόσο, η έρευνα που σχετίζεται με τις θεμελιακές αρχές της κβαντικής μηχανικής έχει οδηγήσει σε ένα νέο επιστημονικό πεδίο με πολλές εντυπωσιακές εφαρμογές, που χρησιμοποιεί τη θεωρία της πληροφορίας για να περιγράψει τις ιδιότητες των κβαντικών συστημάτων.
Η περιγραφή του φυσικού κόσμου στηρίζεται σε μαθηματικές προτάσεις, δηλαδή προτάσεις που μπορούν να χαρακτηριστούν ως αληθείς ή ψευδείς. Ενα φυσικό σύστημα μπορεί να περιγραφεί από ένα σύνολο αληθών μαθηματικών προτάσεων. Μια ολοκληρωμένη περιγραφή ενός συστήματος περιλαμβάνει έναν πολύ μεγάλο αριθμό τέτοιων προτάσεων. Στην καθημερινή ζωή αλλά και στην κλασική φυσική, οι προτάσεις αυτές περιγράφουν τις ιδιότητες του συστήματος, που είναι ανεξάρτητες της παρατήρησής του.
Πως όμως διατυπώνονται οι προτάσεις αυτές, και πώς ελέγχεται ότι είναι αληθείς; Η διατύπωση των προτάσεων στηρίζεται σε παρατηρήσεις του συστήματος που έγιναν στο παρελθόν, ενώ ο έλεγχός τους στηρίζεται σε παρατηρήσεις που θα γίνουν στο μέλλον. Η γνώση, δηλαδή οι πληροφορίες, που έχουμε για ένα σύστημα βασίζεται στην παρατήρησή του, η οποία πραγματοποιείται με μετρήσεις και πειράματα που αφορούν το σύστημα.
Ο ρόλος της φυσικής είναι να δημιουργεί μοντέλα, και να κάνει προβλέψεις που αφορούν τα φυσικά συστήματα, στηριζόμενη στις πληροφορίες-παρατηρήσεις που ήδη υπάρχουν. Οι προβλέψεις αυτές αφορούν τα αποτελέσματα των μελλοντικών παρατηρήσεων και μπορούν να ελεγχθούν, δηλαδή να χαρακτηριστούν ως αληθείς (σωστές) ή ψευδείς (λάθος).
Στην κβαντική φυσική η αρχική κατάσταση ενός συστήματος περιέχει όλη τη διαθέσιμη πληροφορία που προέκυψε από προηγούμενες παρατηρήσεις του συστήματος. Χρησιμοποιώντας την περίφημη εξίσωση του Schroedinger, εξάγεται η κατάσταση του συστήματος σε μια μελλοντική χρονική στιγμή.
Η «μελλοντική» αυτή κατάσταση περιγράφει τα πιθανά αποτελέσματα όλων των μελλοντικών παρατηρήσεων που αφορούν το σύστημα, και μας δίνει τις πιθανότητες να μετρήσουμε στο μέλλον κάποιες συγκεκριμένες τιμές που αφορούν τις ιδιότητες του συστήματος. Η κβαντική μηχανική δεν εξηγεί το γιατί κατά την πραγματοποίηση μιας μέτρησης στο σύστημα λαμβάνεται το αντίστοιχο αποτέλεσμα.
Ο Anton Zeilinger και οι συνεργάτες του, στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, ξεκινώντας από μερικές πολύ βασικές αρχές που συνδέουν τη θεωρία της πληροφορίας με τα στοιχειώδη, όπως τα προσδιόρισαν εκείνοι, φυσικά συστήματα, κατέληξαν σε μια νέα ερμηνευτική πρόταση των θεμελιωδών αρχών της κβαντικής μηχανικής. Για να μελετήσουν το περιεχόμενο της πληροφορίας που ενυπάρχει σε ένα φυσικό σύστημα, ο Zeilinger και η ομάδα του αναλύουν τα σύνθετα φυσικά συστήματα, που περιγράφονται από ένα γενικά μεγάλο σύνολο προτάσεων, σε απλούστερα συστήματα που περιγράφονται από μικρότερα σύνολα τέτοιων προτάσεων.
Η διαδικασία της ανάλυσης συνεχίζεται μέχρις ότου το αρχικό, σύνθετο σύστημα διαιρεθεί σε ένα σύνολο από στοιχειώδη συστήματα. Ενα στοιχειώδες σύστημα περιγράφεται από την απάντηση σε μια μόνο πρόταση-ερώτηση.
Η ποσότητα της πληροφορίας που περιέχεται στην απάντηση, ή τιμή, μιας πρότασης-ερώτησης που μπορεί να χαρακτηριστεί ως αληθής (σωστή) ή ψευδής (λάθος) ισούται με 1 bit, αν θεωρήσουμε χωρίς βλάβη της γενικότητας ότι η τιμή αληθής αντιστοιχεί στο 1 ενώ η τιμή ψευδής αντιστοιχεί στο 0. Στη βάση αυτή, ο Zeilinger και οι συνεργάτες του πρότειναν την εξής αρχή κβάντωσης της πληροφορίας: Ενα στοιχειώδες σύστημα περιέχει 1 bit πληροφορίας.
Το bit είναι η στοιχειώδης ποσότητα, το κβάντο της πληροφορίας. Οποιαδήποτε άλλη ποσότητα πληροφορίας είναι πολλαπλάσια του bit. Ετσι λοιπόν, η ιδιότητα της κβάντωσης, το βασικότερο ίσως χαρακτηριστικό των μικροσκοπικών συστημάτων, εμπεριέχεται στην αρχή του Zeilinger, και απορρέει από την κβάντωση της πληροφορίας. Οπως άλλωστε αναφέρει και ο ίδιος ο Zeilinger, ο κόσμος μας είναι κβαντισμένος επειδή η πληροφορία που σχετίζεται με αυτόν είναι κβαντισμένη.
Κβαντική τυχαιότητα (randomness)
Το εννοιολογικό άλμα του Zeilinger συνίσταται στη συσχέτιση του bit, που είναι μια ποσότητα της θεωρίας της πληροφορίας, με τα στοιχειώδη συστήματα που αποτελούν τους θεμέλιους λίθους της κβαντικής μηχανικής.
Το spin ενός ηλεκτρονίου αποτελεί το πρότυπο του στοιχειώδους συστήματος. Τα δύο δυνατά αποτελέσματα της μέτρησης του spin ενός ηλεκτρονίου, ως προς έναν άξονα, είναι : «spin πάνω» και «spin κάτω», ανεξάρτητα από την επιλογή του άξονα πάνω στον οποίο αυτό μετράται. Θεωρώντας ότι το αποτέλεσμα «spin πάνω» αντιστοιχεί στον αριθμό 1 ενώ το αποτέλεσμα «spin κάτω» αντιστοιχεί στον αριθμό 0, είναι σαφές ότι η τιμή του spin του ηλεκτρονίου περιέχεται σε 1 bit.
Με την αρχή κβάντωσης της πληροφορίας του Zeilinger μπορεί να εξηγηθεί η τυχαιότητα (randomness) που αποτελεί εγγενές χαρακτηριστικό των κβαντικών συστημάτων. Ας θεωρήσουμε ότι πραγματοποιούμε μια μέτρηση του spin του ηλεκτρονίου πάνω σε έναν κατακόρυφο άξονα, έστω άξονα z, και το αποτέλεσμα της μέτρησης είναι το: «spin πάνω». Δεδομένου ότι το σύστημά μας είναι στοιχειώδες, και περιέχει ένα μόνο bit πληροφορίας, το οποίο χρησιμοποιήσαμε κατά τη μέτρηση, δεν μπορούμε να πάρουμε άλλη πληροφορία από το εν λόγω σύστημα.
Δηλαδή δεν μπορούμε για παράδειγμα να γνωρίζουμε το αποτέλεσμα της μέτρησης του spin πάνω σε έναν ή περισσότερους ακόμα άξονες. Η μέτρηση του spin πάνω στον άξονα z, ή σε έναν οποιονδήποτε άλλο άξονα, μας δίνει όλη την διαθέσιμη πληροφορία που μπορούμε να έχουμε από το σύστημα, και έτσι το αποτέλεσμα της ταυτόχρονης μέτρησης του spin πάνω σε έναν ή περισσότερους ακόμα άξονες δεν μπορεί να προβλεφθεί, θα είναι δηλαδή εντελώς τυχαίο.
Το χαρακτηριστικό αυτό της τυχαιότητας, που αποτελεί γενίκευση της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg, οφείλεται, σύμφωνα με την αρχή του Zeilinger, στο γεγονός ότι ένα στοιχειώδες σύστημα δεν περιέχει αρκετή ποσότητα πληροφορίας για να μας δώσει συγκεκριμένες απαντήσεις, δηλαδή αποτελέσματα, σε όλα τα ερωτήματα που μπορούμε πειραματικά να του θέσουμε.
Γενίκευση της αρχής του Zeilinger και κβαντική συσχέτιση (entanglement)
Η συσχέτιση (entanglement) είναι ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό της κβαντικής μηχανικής. Οταν για παράδειγμα δύο ηλεκτρόνια είναι συσχετισμένα (entangled), αυτό που συμβαίνει είναι ότι δεν μπορούμε να περιγράψουμε το ένα ανεξάρτητα από το άλλο. Η ιδιότητα αυτή των κβαντικών συστημάτων μπορεί να προκύψει από τη γενίκευση της αρχής του Zeilinger σε ένα σύνθετο σύστημα που αποτελείται από Ν το πλήθος στοιχειώδη συστήματα. Ενα τέτοιο σύστημα, σύμφωνα με τον Zeilinger, θα περιέχει Ν bit πληροφορίας.
Έστω ότι θέλουμε να μελετήσουμε το spin ενός συστήματος δύο ηλεκτρονίων. Το σύστημα αυτό αποτελείται από δύο επιμέρους στοιχειώδη συστήματα (το spin του ενός και το spin του άλλου ηλεκτρονίου) και περιέχει 2 bit πληροφορίας. Για να αντλήσουμε όλη την πληροφορία που περιέχεται στο σύστημα, μπορούμε να θέσουμε δύο ερωτήσεις υπό τη μορφή προτάσεων. Ποιες όμως θα είναι αυτές οι προτάσεις;
Η πιο απλή περίπτωση εκλογής είναι οι προτάσεις αυτές να περιγράφουν την τιμή του spin του κάθε ενός ηλεκτρονίου πάνω σε έναν συγκεκριμένο άξονα, π.χ. τον άξονα των z. Ετσι η μια πρόταση θα μπορούσε να διατυπωθεί ως εξής: «ποια είναι η τιμή του spin του πρώτου ηλεκτρονίου πάνω στον άξονα z;», και η δεύτερη θα μπορούσε να είναι: «ποια είναι η τιμή του spin του άλλου ηλεκτρονίου πάνω στον άξονα z;».
Αντί για προτάσεις – ερωτήσεις που περιγράφουν τα επιμέρους στοιχειώδη συστήματα, μπορούμε να επιλέξουμε δύο προτάσεις-ερωτήσεις που αφορούν όλο το σύστημα. Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να περιγράψουμε το σύστημα με τις προτάσεις: «Ποιος είναι ο σχετικός προσανατολισμός των spin των ηλεκτρονίων πάνω στον άξονα z;» και «Ποιος είναι ο σχετικός προσανατολισμός των spin των ηλεκτρονίων πάνω σε έναν άλλο άξονα, π.χ. τον άξονα x;».
Η απάντηση, «spin παράλληλα» ή «αντιπαράλληλα μεταξύ τους», στην κάθε μία από αυτές τις δύο ερωτήσεις-προτάσεις περιέχει πληροφορία ίση με 1 bit, επομένως και οι δύο μαζί εξαντλούν τα 2 bit πληροφορίας που μπορούμε να αντλήσουμε από το σύστημα. Η περιγραφή του συστήματος με αυτές τις προτάσεις δεν δίνει κανένα στοιχείο για το ποια μπορεί να είναι η τιμή των spin των επιμέρους ηλεκτρονίων του συστήματος. Ολη η πληροφορία αφορά ιδιότητες του συστήματος και όχι των συνιστωσών του.
Τι σημαίνει όμως αυτό; Αυτό σημαίνει ότι εφόσον μετρηθεί η τιμή του spin του ενός ηλεκτρονίου, σε κάποιον από τους δύο άξονες, τότε γνωρίζουμε αυτόματα και την τιμή του spin του άλλου ηλεκτρονίου, ακόμα και αν τα δύο ηλεκτρόνια βρίσκονται μακριά το ένα από το άλλο. Με άλλα λόγια η τιμή του spin του ενός ηλεκτρονίου εξαρτάται από την τιμή του spin του άλλου ηλεκτρονίου, ακόμα και αν τα δύο ηλεκτρόνια δεν βρίσκονται στην ίδια περιοχή του χώρου.
Αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα κβαντικής συσχέτισης (quantum entanglement), μιας ιδιαίτερα σημαντικής ιδιότητας των κβαντικών συστημάτων που φαίνεται να απορρέει με φυσικό τρόπο από τη γενικευμένη αρχή του Zeilinger.
Η περιγραφή του συστήματος των δύο ηλεκτρονίων με βάση τις δύο προτάσεις-ερωτήσεις: «Ποιος είναι ο σχετικός προσανατολισμός των spin των ηλεκτρονίων πάνω στον άξονα z;» και «Ποιος είναι ο σχετικός προσανατολισμός των spin των ηλεκτρονίων πάνω σε έναν άλλο άξονα, π.χ. τον άξονα x;» μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά από τέσσερις κβαντικές καταστάσεις, τέσσερα ορθογώνια μεταξύ τους διανύσματα, που περιγράφουν το σύστημα, και ονομάζονται καταστάσεις Bell.
Για κάθε μία από τις παραπάνω προτάσεις-ερωτήσεις υπάρχουν δύο δυνατές απαντήσεις: «spin παράλληλα» ή «spin αντιπαράλληλα» , που μπορούν να αποτυπωθούν σε 1 bit πληροφορίας, αν θεωρήσουμε αυθαίρετα, αλλά χωρίς βλάβη της γενικότητας, ότι η πρώτη απάντηση αντιστοιχεί στο 1 και η δεύτερη στο 0. Έτσι για το σύστημα των δύο ηλεκτρονίων υπάρχουν τέσσερις δυνατοί συνδυασμοί των 2 bit, που είναι οι: 0-0, 0-1, 1- 0, 1-1. Οι καταστάσεις Bell, που αποτελούν μαθηματική αναπαράσταση των τεσσάρων αυτών δυνατών απαντήσεων, είναι συσχετισμένες, εκδηλώνουν δηλαδή την ιδιότητα της κβαντικής συσχέτισης.
Η περιγραφή σύνθετων κβαντικών συστημάτων με βάση την αρχή του Zeilinger μπορεί να γενικευτεί σε συστήματα με περισσότερα από δύο σωματίδια. Οι Greenberger, Horne και Zeilinger κατασκεύασαν οκτώ συσχετισμένες κβαντικές καταστάσεις για να ένα σύστημα τριών σωματιδίων. Οι καταστάσεις αυτές που ονομάζονται καταστάσεις GHZ μπορούν να προκύψουν με βάση τη γενικευμένη αρχή του Zeilinger από τρεις προτάσεις-ερωτήσεις προς το σύστημα
Εξίσωση του Schroedinger και χώρος του Hilbert
Είδαμε ότι μερικές θεμελιώδεις ιδιότητες των κβαντικών συστημάτων όπως η κβάντωση, η αβεβαιότητα και η συσχέτιση απορρέουν με τρόπο φυσικό από την αρχή του Zeilinger. Τι συμβαίνει όμως με την εξίσωση του Schroedinger, και τις κυματοσυναρτήσεις των κβαντικών συστημάτων; Η περιγραφή των κβαντικών συστημάτων γίνεται μέσω κυματοσυναρτήσεων, ή συναρτήσεων κατάστασης, που ορίζονται σε έναν αφηρημένο χώρο, ο οποίος ονομάζεται χώρος Hilbert, και υπακούουν στην εξίσωση του Schroedinger.
Η εξίσωση του Schroedinger είναι για την κβαντική μηχανική ό,τι είναι για την κλασική μηχανική ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα, που περιγράφει ένα κλασικό σύστημα σε χαμηλές ταχύτητες. Για να αποτελέσει η αρχή του Zeilinger μια νέα ερμηνευτική πρόταση της κβαντικής μηχανικής θα πρέπει να μπορεί να περιγράψει, μεταξύ άλλων, και την εξίσωση του Schroedinger. Για να το πετύχουν αυτό, οι Zeilinger και Brukner χρησιμοποιούν έναν τρισδιάστατο χώρο που τον ονομάζουν χώρο της πληροφορίας (information space).
Η κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος παριστάνεται από ένα σημείο στον χώρο αυτό. Η σχέση του χώρου της πληροφορίας με τον χώρο Hilbert που χρησιμοποιούν οι φυσικοί, είναι παρόμοια με τη σχέση που έχει ένα τρισδιάστατο πραγματικό αντικείμενο με μια ακριβή δυδιάστατη απεικόνισή του στο χαρτί. Ο χώρος της πληροφορίας είναι πιο κοντά στην καθημερινή εμπειρία από τον αφηρημένο χώρο του Hilbert.
Οι άξονες των συντεταγμένων στον χώρο αυτό αντιστοιχούν στις τιμές, αληθές – ψευδές ή σωστό – λάθος, προτάσεων-ερωτήσεων που αφορούν ένα στοιχειώδες σύστημα. Το spin ενός ηλεκτρονίου μπορεί να μετρηθεί πάνω στους άξονες x, y, ή z του πραγματικού τρισδιάστατου χώρου, γεγονός που καθιστά πιο φανερή την αντιστοιχία μεταξύ του χώρου της πληροφορίας και του τρισδιάστατου χώρου.
Δεδομένου ότι η κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, το σημείο που την παριστάνει αλλάζει θέσεις μέσα στον χώρο της πληροφορίας. Οι Zeilinger και Brukner θεωρούν ότι η κίνηση του σημείου που αναπαριστά το κβαντικό σύστημα μέσα στον χώρο της πληροφορίας διέπεται από τις ίδιες αρχές που διέπουν την κίνηση ενός κλασικού συστήματος, όπως π.χ. την κίνηση μιας σφαίρας μέσα στο γήινο βαρυτικό πεδίο.
Έτσι χρησιμοποιούν τους νόμους της κλασικής μηχανικής για να μελετήσουν τις κινήσεις μέσα στον χώρο της πληροφορίας. Γνωρίζοντας τη σχέση του χώρου αυτού με τον αφηρημένο χώρο των κβαντικών καταστάσεων, ο Zeilinger και η ομάδα του μπόρεσαν να εξάγουν την εξίσωση που περιγράφει την εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης μέσα στον αφηρημένο χώρο του Hilbert.
Η εξίσωση στην οποία κατέληξαν είναι η εξίσωση του Schroedinger, και με αυτόν τον τρόπο έδειξαν ότι η περιγραφή τους ενσωματώνει την εξίσωση που περιγράφει τη χρονική εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης. Παρότι η μετάβαση από τον χώρο της πληροφορίας στον χώρο Hilbert αφορούσε στοιχειώδη συστήματα, ο Zeilinger πιστεύει ότι η ίδια διαδικασία μπορεί να ακολουθηθεί και στην περίπτωση σύνθετων συστημάτων που περιλαμβάνουν πολλά επιμέρους στοιχειώδη συστήματα.
Κβαντική πληροφορία
Στη συνέχεια ο Zeilinger και οι συνεργάτες του, θεωρώντας την ίδια την πληροφορία ως κβαντική έννοια, δοκίμασαν να αντιστρέψουν κάπως τα πράγματα και να διαπιστώσουν πως αυτή κωδικοποιείται σε μεμονωμένα κβαντικά συστήματα, υπό το πρίσμα της νέας ερμηνευτικής τους πρότασης. Με άλλα λόγια, αναρωτήθηκαν τι συμβαίνει όταν τόσο η μετάδοση όσο και η επεξεργασία της πληροφορίας διέπονται από τους νόμους της κβαντικής μηχανικής.
Το bit, η στοιχειώδης ποσότητα πληροφορίας, μπορεί να έχει δύο τιμές, συνήθως 0 και 1. Ετσι ένα φυσικό σύστημα, για να μπορεί να αποθηκεύσει 1 bit πληροφορίας, πρέπει να διαθέτει δύο ξεχωριστές καταστάσεις όπου η μία θα παριστάνει το 0 και η άλλη το 1. Στα κλασικά συστήματα είναι επιθυμητή η παρουσία δύο ενεργειακών καταστάσεων που απέχουν πολύ μεταξύ τους, ώστε η τιμή του bit να μη αλλάζει αυθόρμητα.
Υπάρχουν ωστόσο και κβαντικά συστήματα με δύο ιδιοκαταστάσεις, συνήθως συμβολίζονται με |0> και |1>, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση της πληροφορίας. Υπάρχει μια πληθώρα από τέτοια συστήματα, όπως το spin του ηλεκτρονίου, το πολωμένο φως, μόρια με δύο ενεργειακές καταστάσεις, κλπ. Λόγω της κβαντικής του φύσης, ένα τέτοιο σύστημα μπορεί, εκτός από τη μία ή την άλλη ιδιοκατάσταση, να βρεθεί και σε μια «ενδιάμεση», μεταξύ των δύο ιδιοκαταστάσεων, κατάσταση.
Αυτή η δυνατότητα της υπέρθεσης των καταστάσεων είναι ένα καθαρά κβαντικό χαρακτηριστικό, που δεν υπάρχει στα κλασικά συστήματα. Ενα κβαντικό σύστημα δύο καταστάσεων μπορεί, εκτός από τις τιμές 0 και 1, που αντιστοιχούν στις δύο ιδιοκαταστάσεις του, να αποθηκεύσει και τις τιμές που αντιστοιχούν στις «ενδιάμεσες» καταστάσεις. Για να περιγράψουν αυτή τη δυνατότητα οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τον όρο «qubit», από τα αρχικά των λέξεων quantum και bit.
Η ποσότητα της πληροφορίας που περιέχεται σε ένα «qubit» είναι σαφώς μεγαλύτερη από αυτή που περιέχεται σε ένα bit, κατά ένα ποσό που αντιστοιχεί σε αυτό που κάπως απροσδιόριστα ονομάζεται κβαντική πληροφορία.
Για τον υπολογισμό της ποσότητας της πληροφορίας που περιέχεται σε ένα σύστημα οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το μέτρο της πληροφορίας, όπως αυτό ορίστηκε από τον Αμερικανό μηχανικό, και πατέρα της θεωρίας της πληροφορίας, Claude Shannon. Ο τύπος του Shannon παρέχει τον ελάχιστο αριθμό bit που πρέπει να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση ενός μηνύματος.
Οι Zeilinger και Brukner πιστεύουν ωστόσο ότι το μέτρο της πληροφορίας, όπως ορίστηκε από τον Shannon, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κβαντικά συστήματα διότι δεν λαμβάνει υπόψη τη διαδικασία της μέτρησης, η οποία στην κβαντική μηχανική επηρεάζει το αποτέλεσμα.
Με άλλα λόγια, σε κάθε μέτρηση που αφορά ένα κβαντικό σύστημα δημιουργείται μια ποσότητα πληροφορίας και αυτό το γεγονός δεν λαμβάνεται υπόψη όταν χρησιμοποιείται ο τύπος του Shannon. Για να συμπεριλάβουν τη διαδικασία της μέτρησης, οι Zeilinger και Brukner προτείνουν ένα διαφορετικό μέτρο πληροφορίας που το ονομάζουν ολική πληροφορία (total information).
Ο Zeilinger και οι συνεργάτες του πραγματοποιούν πειράματα μοριακής οπτικής και συσχέτισης φωτονίων με σκοπό αφενός να ελέγξουν τις βασικές ιδιότητες των κβαντικών συστημάτων και αφετέρου να εξετάσουν τις πιθανές εφαρμογές που μπορούν να έχουν. Η σχέση αυτή είναι αμφίδρομη, αφού ο πειραματισμός και η μελέτη τέτοιων συστημάτων βοηθά στην καλύτερη κατανόηση βασικών ιδιοτήτων των κβαντικών συστημάτων όπως είναι η συσχέτιση και η ερμηνεία της πληροφορίας σε κβαντικό επίπεδο. Ο Zeilinger πιστεύει ότι η ερμηνεία του μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία συστημάτων κβαντικής κρυπτογραφίας και τηλεμεταφοράς.
Συμπεράσματα
Ο Zeilinger και οι συνεργάτες του αισιοδοξούν ότι η αρχή που διατύπωσαν μπορεί να αποτελέσει μια θεμελιακή αρχή της κβαντικής μηχανικής παίζοντας ρόλο αντίστοιχο με αυτόν της Αρχής της Σχετικότητας στην Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, ή της Αρχής της Ισοδυναμίας στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Η αισιοδοξία τους στηρίζεται στο γεγονός ότι ορισμένα θεμελιακά χαρακτηριστικά της κβαντικής μηχανικής, όπως η τυχαιότητα των γεγονότων και η συσχέτιση, φαίνεται να απορρέουν και να εξηγούνται από την αρχή του Zeilinger.
Η κβάντωση των φυσικών μεγεθών, αφετηρία και σημείο ρήξης της κβαντικής με την κλασική φυσική, απορρέει από το γεγονός ότι η ίδια η πληροφορία είναι κβαντισμένη. Δεδομένου ότι η περιγραφή του φυσικού κόσμου γίνεται μέσω προτάσεων και εφόσον η πιο απλή πρόταση είναι αυτή που χαρακτηρίζεται ως αληθής (σωστή) ή ψευδής (λάθος), είναι φανερό ότι η κβάντωση προκύπτει αν θεωρήσουμε ότι το απλούστερο φυσικό σύστημα είναι αυτό που περιγράφεται από μια τέτοια πρόταση.
Ο Zeilinger πιστεύει ότι η αρχή του υποστηρίζει και επεκτείνει την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, την πρώτη, και ίσως πιο αποδεκτή, προσπάθεια ερμηνείας και κατανόησης του κόσμου των κβαντικών φαινομένων. Μια από τις άμεσες συνέπειες της νέας ερμηνευτικής αρχής, είναι ότι για τη μελέτη των φυσικών φαινομένων πρέπει να ληφθεί υπόψη η πληροφορία που σχετίζεται με αυτά, καθώς και οι περιορισμοί που αυτή επιβάλλει. Παρότι στην κλασική φυσική η πραγματικότητα είναι μια πρωταρχική έννοια, ανεξάρτητη και προγενέστερη της παρατήρησής της, στην ερμηνεία του Zeilinger η πραγματικότητα είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την πληροφορία που σχετίζεται με αυτήν.
Κβαντική μηχανική και οι ερμηνείες της
Η κβαντική μηχανική είναι ίσως η πιο επιτυχημένη θεωρία στην ιστορία των επιστημών. Επιτρέπει στους επιστήμονες και στους μηχανικούς να περιγράψουν τη συμπεριφορά των συστημάτων του μικρόκοσμου. Η κβαντική θεωρία μπορεί να εφαρμοστεί με την ίδια υψηλή ακρίβεια σε ένα στοιχειώδες σωμάτιο που είναι εκατό χιλιάδες φορές μικρότερο από το άτομο, στο ίδιο το άτομο ή τον πυρήνα του, αλλά και σε μεγαλύτερα συστήματα. Μολονότι άκρως επιτυχημένη και καθολικά αποδεκτή θεωρία, η κβαντική μηχανική δεν έπαυσε ποτέ να προκαλεί την ανθρώπινη φαντασία, αφού συχνά έρχεται σε αντίθεση με την «κοινή λογική», όπως αυτή εκφράζεται από την κλασική φυσική.
Η ίδια η κβάντωση, το γεγονός δηλαδή ότι φυσικά μεγέθη όπως η ενέργεια, η ορμή, η στροφορμή, το spin, κλπ. παίρνουν διακριτές, και όχι συνεχείς τιμές, έρχεται σε αντίθεση με τη νευτώνεια φυσική. Ενα άλλο μυστηριώδες χαρακτηριστικό του κόσμου των κβαντικών φαινομένων, που είναι απόρροια της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg, είναι η τυχαιότητα που τα χαρακτηρίζει.
Η συσχέτιση των ιδιοτήτων κβαντικών συστημάτων που δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, καθώς και η ιδιότητα της υπέρθεσης των κβαντικών καταστάσεων, το γεγονός δηλαδή ότι ένα σύστημα μπορεί να βρίσκεται συγχρόνως σε περισσότερες από μια καταστάσεις, αποτελούν δύο από τα χαρακτηριστικότερα αινίγματα της κβαντικής θεωρίας. Στην προσπάθειά τους να ρίξουν φως στα μυστήρια αυτά, οι επιστήμονες πρότειναν διάφορες ερμηνείες για τη θεωρία.
Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, που διαμορφώθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1920 από τους Niels Bohr, Werner Heisenberg και άλλους επιστήμονες, το αποτέλεσμα ενός πειράματος διαμορφώνεται όταν το υπό μελέτη κβαντικό σύστημα αλληλεπιδρά με τη συσκευή μέτρησης στο εργαστήριο, οπότε το σύστημα διαλέγει μια από όλες τις πιθανές καταστάσεις του, και έτσι προκύπτει το αποτέλεσμα της μέτρησης. Σύμφωνα με μια άλλη ερμηνεία της θεωρίας, κατά την πραγματοποίηση μιας μέτρησης σε ένα κβαντικό σύστημα εμφανίζονται όλα τα πιθανά αποτελέσματα.
Τα πιθανά αποτελέσματα εμφανίζονται σε ένα σύνολο από παράλληλα σύμπαντα. Ο παρατηρητής καταγράφει ένα μόνο από τα αποτελέσματα αυτά επειδή βρίσκεται σε ένα μόνο από τα παράλληλα σύμπαντα.
