Στους μάγους της κβαντικής φυσικής το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2012

Kβαντικοί υπολογιστές, qubits σε παγίδες ιόντων, κβαντικά ρολόγια (αδιανόητης ακρίβειας), παγίδες  με φωτόνια σε υπέρθεση, κβαντική σύμπλεξη φωτονίων με άτομα Rydberg και ο γάτος του Schrodinger

Oι Serge Haroche (Σερζ Αρός) και David J. Wineland (Ντέιβιντ Γουάινλαντ)ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον ανακάλυψαν και εφάρμοσαν πρωτοποριακές πειραματικές μεθόδους που επιτρέπουν την μέτρηση και τον χειρισμό απομονωμένων κβαντικών συστημάτων ενώ αυτά διατηρούν την κβαντομηχανική τους φύση, με τρόπους που στο παρελθόν θεωρούντο ανέφικτοι.

Οι David J. Wineland (αριστερά) και Serge Haroche (δεξιά) μοιράστηκαν το βραβείο Νομπελ Φυσικής 2012

 Οι Haroche και Wineland έχουν ανοίξει την πόρτα που μας οδηγεί σε μια νέα εποχή πειραματισμού στην κβαντική φυσική πραγματοποιώντας την άμεση παρατήρηση απομονωμένων κβαντικών συστημάτων χωρίς αυτά να καταστρέφονται. Με τις έξυπνες εργαστηριακές τους μεθόδους κατάφεραν να ελέγξουν και να μετρήσουν πολύ «ευαίσθητες» κβαντικές καταστάσεις και οδήγησαν το πεδίο της έρευνάς τους στα πρώτα βήματα προς την κατασκευή ενός νέου τύπου σουπερ – υπολογιστών, βασισμένων στην κβαντική φυσική – τους κβαντικούς υπολογιστές. Αυτές οι μέθοδοι οδήγησαν επίσης στην κατασκευή εξαιρετικής ακρίβειας ρολογιών που θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη μελλοντική βάση για την κατασκευή ενός νέου προτύπου χρόνου, με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από τα σημερινά ατομικά ρολόγια καισίου. Για μεμονωμένα σωματίδια φωτός ή ύλης οι νόμοι της κλασικής φυσικής παύουν να ισχύουν και δίνουν τη θέση τους στους «εξωτικούς» νόμους της κβαντικής φυσικής. Ένα σωματίδιο δεν είναι εύκολο να απομονωθεί από το περιβάλλον του και χάνει τις μυστηριώδεις κβαντικές ιδιότητες μόλις αλληλεπιδράσει με τον εξωτερικό κόσμο. Έτσι, πολλά φαινομενικά παράδοξα της κβαντικής μηχανικής δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα και το μόνο που μπορούν να κάνουν οι ερευνητές είναι να εκτελούν «πειράματα σκέψης» στα οποία εκδηλώνονται τα παράξενα κβαντικά φαινόμενα. Και οι δυο βραβευμένοι επιστήμονες εργάστηκαν στον τομέα της κβαντικής οπτικής μελετώντας την θεμελιώδη αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης, ένα πεδίο που γνώρισε σημαντική πρόοδο από τα μέσα της δεκαετίας του 1980 και μετά. Οι μέθοδοί τους έχουν πολλά κοινά. Ο David Wineland παγίδευσε ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα (ιόντα), τα έλεγξε και πραγματοποίησε μετρήσεις με φωτόνια. Ο Serge Haroche έκανε την αντίθετη προσέγγιση: έλεγξε και μέτρησε παγιδευμένα φωτόνια στέλνοντας άτομα μέσα στην παγίδα.

«Βασανίζοντας» τα ιόντα (ή ελέγχοντας απομονωμένα φορτισμένα άτομα μέσα σε μια παγίδα ιόντων)
 Στο εργαστήριο του David Wineland στο Boulder του Colorado, ιόντα εγκλωβίζονται σε παγίδες χρησιμοποιώντας κατάλληλα ηλεκτρικά πεδία. Τα σωματίδια είναι απομονωμένα από τη θερμική και τις άλλες ακτινοβολίες του περιβάλλοντος, καθώς τα πειράματα διεξάγονται στο κενό και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Ένα από τα μυστικά πίσω από τα επιτεύγματα του Wineland είναι η μαεστρία της τέχνης του στη χρήση των ακτίνων λέιζερ και την δημιουργία παλμών λέιζερ. Ένα λέιζερ χρησιμοποιείται για να περιορίσει την θερμική κίνηση του ιόντος στην παγίδα, θέτοντας το ιόν στην χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση και επιτρέποντας έτσι τη μελέτη των κβαντικών φαινομένων στην παγίδα ιόντων. Ένας προσεκτικά ρυθμισμένος παλμός λέιζερ μπορεί να θέσει το ιόν σε μια κατάσταση επαλληλίας, όπου το ιόν βρίσκεται ταυτόχρονα σε δυο διαφορετικές καταστάσεις. Για παράδειγμα, το ιόν μπορεί να προετοιμαστεί ώστε να καταλάβει δυο διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα ταυτοχρόνως. Ξεκινά από ένα χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας και ο παλμός λέιζερ ωθεί το ιόν μέχρι τα μισό της υψηλότερης ενέργειας, έτσι ώστε αυτό να βρίσκεται μεταξύ των επιπέδων, σε μια υπέρθεση ενεργειακών καταστάσεων, με ίση πιθανότητα να καταλήξουν σε οποιοδήποτε από αυτές. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να μελετηθεί μια κβαντική υπέρθεση ιόντων.

Στο εργαστήριο του David Wineland στο Boulder του Colorado, ιόντα διατηρούνται μέσα σε μια παγίδα με τη χρήση κατάλληλων ηλεκτρικών πεδίων. Ένα λέιζερ χρησιμοποιείται για να θέσει το ιόν στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση και επιτρέποντας έτσι τη μελέτη κβαντικών φαινομένων με το παγιδευμένο ιόν.

  «Βασανίζοντας» τα φωτόνια (ή ελέγχοντας απομονωμένα φωτόνια σε μια παγίδα)

 Ο Serge Haroche και η ερευνητική του ομάδα χρησιμοποίησε μια διαφορετική μέθοδο για να αποκαλύψει τα μυστήρια του κβαντικού κόσμου. Στο εργαστήριό του Παρισιού φωτόνια μικροκυματικής συχνότητας ανακλώνται συνεχώς μεταξύ δυο καθρεπτών που απέχουν 3 εκατοστά μεταξύ τους. Οι καθρέπτες είναι κατασκευασμένοι από υπεραγώγιμα υλικά – την τελευταία λέξη της τεχνολογίας - και ψύχονται σε θερμοκρασίες πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν. Τα υλικά αυτά είναι τόσο ανακλαστικά που ένα απλό φωτόνιο μπορεί να ανακλάται μπρος πίσω στη κοιλότητα για τουλάχιστον 1/10 του δευτερολέπτου, μέχρι να χαθεί ή να απορροφηθεί. Σ’ αυτό το ρεκόρ «διάρκειας ζωής» του, το φωτόνιο διανύει 40000 χιλιόμετρα, που ισοδυναμεί περίπου με μία περιφορά γύρω από τη Γη. Ο χρόνος αυτός είναι αρκετός για τους πειραματιστές έτσι ώστε να πραγματοποιήσουν «κβαντικούς χειρισμούς» στο παγιδευμένο φωτόνιο. Ο Haroche χρησιμοποίησε ειδικά προετοιμασμένα άτομα, τα επονομαζόμενα άτομα Rydberg (από το όνομα του Σουηδού φυσικού Johannes Rydberg) , τόσο για τον έλεγχο όσο και για την μέτρηση του μικροκυματικής συχνότητας φωτονίου στην κοιλότητα. Ένα άτομο Rydberg έχει ακτίνα περίπου 125 νανόμετρα, η οποία είναι περίπου 1000 φορές μεγαλύτερη από τα κοινά άτομα. Αυτά τα γιγαντιαία σε σχήμα λουκουμά άτομα στέλνονται στην κοιλότητα ένα προς ένα με κατάλληλη ταχύτητα, έτσι ώστε η αλληλεπίδρασή τους με τα φωτόνια να γίνεται με ελεγχόμενο τρόπο. Το άτομο Rydberg διασχίζει την κοιλότητα και εξέρχεται απ’ αυτήν, αφήνοντας πίσω το φωτόνιο μικροκυματικής συχνότητας. Αλλά η αλληλεπίδραση μεταξύ του φωτονίου και του ατόμου έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή φάσης της κβαντικής κατάστασης του ατόμου: αν φανταστούμε την κβαντική κατάσταση του ατόμου ως ένα κύμα, τα όρη και οι κοιλάδες του μετατοπίζονται. Αυτή η μετατόπιση φάσης μπορεί να μετρηθεί όταν το άτομο εξέλθει από την κοιλότητα, αποκαλύπτοντας έτσι τον τρόπο αυτό την παρουσία ή την απουσία του φωτονίου μέσα στην κοιλότητα. Χωρίς φωτόνιο δεν υπάρχει μετατόπιση φάσης. Ο Haroche μπόρεσε με τον τρόπο αυτό να μελετήσει απομονωμένα φωτόνια χωρίς να τα καταστρέψει.

Στο εργαστήριο του Serge Haroche στο Παρίσι, σε συνθήκες κενού και σε μια θερμοκρασία σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, τα φωτόνια με μικροκυματική συχνότητα ανακλώνται συνεχώς μπρος πίσω σε μια μικρή κοιλότητα μεταξύ δυο –σχεδόν τέλειων - κατόπτρων.

 Με μια παρόμοια μέθοδο ο Haroche και η ομάδα του μπόρεσε να μετρήσει τα φωτόνια στο εσωτερικό της κοιλότητας, όπως ένα παιδί μετρά βώλους σε ένα μπολ. Αυτό μπορεί να ακούγεται εύκολο, αλλά απαιτεί εξαιρετική επιδεξιότητα διότι τα φωτόνια, σε αντίθεση με τους βώλους καταστρέφονται αμέσως όταν έρχονται σε επαφή με τον έξω κόσμο.

  Τα παράδοξα της κβαντικής μηχανικής

 Η κβαντομηχανική περιγράφει ένα μικροσκοπικό κόσμο αόρατο στο γυμνό μάτι, όπου τα γεγονότα πραγματοποιούνται με ένα τρόπο αναπάντεχο και αντίθετα με τις εμπειρίες μας από τα φυσικά φαινόμενα του μακροσκοπικού κλασικού κόσμου. Η φυσική στον κβαντικό κόσμο έχει κάποια εγγενή αβεβαιότητα ή τυχαιότητα. Ένα παράδειγμα αυτής της παράξενης συμπεριφοράς είναι η υπέρθεση, όπου ένα κβαντικό σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε διαφορετικές καταστάσεις ταυτόχρονα. Ενώ δεν θα περνούσε ποτέ από το μυαλό μας για έναν βώλοι ότι βρίσκεται ταυτόχρονα και «εδώ» και «εκεί», όμως αυτή είναι θα ήταν η κατάστασή του αν επρόκειτο για κβαντικό βώλο. Η κατάσταση υπέρθεσης ενός τέτοιου βώλου μας λέει ακριβώς ποια είναι η πιθανότητα ο βώλος να βρίσκεται εδώ ή εκεί, αν πραγματοποιούσαμε μια μέτρηση εύρεσης της θέσης του βώλου. Γιατί δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε μια υπέρθεση του κβαντικού βώλου στην καθημερινή μας ζωή; Ο Erwin Schrödinger (Νόμπελ Φυσικής 1933) ασχολήθηκε με το ζήτημα αυτό. Όπως και πολλοί άλλοι πρωτοπόροι της κβαντικής θεωρίας αγωνίστηκε για την κατανόηση και την ερμηνεία των επιπτώσεών της. Αργότερα, το 1952 έγραφε «Δεν πειραματιστήκαμε ποτέ με ένα ηλεκτρόνιο ή ένα άτομο ή ένα (μικρό) μόριο. Μερικές φορές υποθέταμε ότι το κάναμε σε πειράματα σκέψης, γεγονός που οδηγούσε σε γελοίες συνέπειες...»

  Ο βασανισμός ενός γάτου

 Για να δείξει τις παράλογες συνέπειες της σύνδεσης μεταξύ του μικρόκοσμου της κβαντικής φυσικής και του μακρόκοσμου της καθημερινότητάς μας, ο Schrödinger περιέγραψε ένα πείραμα σκέψης με έναν γάτο: Ο γάτος του Schrödinger είναι εντελώς απομονωμένος από τον εξωτερικό κόσμο κλεισμένος μέσα σε ένα κουτί. Το κουτί περιέχει επίσης ένα μπουκάλι με θανατηφόρο δηλητήριο το οποίο απελευθερώνεται μόνο μετά τη διάσπαση κάποιου ραδιενεργού ατόμου, που βρίσκεται επίσης μέσα στο κουτί. Η ραδιενεργός διάσπαση διέπεται από τους νόμους της κβαντομηχανικής σύμφωνα με την οποία το ραδιενεργό υλικό βρίσκεται σε μια κατάσταση υπέρθεσης των δύο διαφορετικών καταστάσεων: να έχει ή να μην έχει διασπαστεί. Συνεπώς και ο γάτος θα βρίσκεται επίσης σε μια κατάστασης υπέρθεσης των καταστάσεων: να είναι ζωντανός ή να είναι νεκρός. Τώρα, αν κοιτάξουμε μέσα στο κουτί, υπάρχει κίνδυνος να σκοτώσουμε τον γάτο διότι η κβαντική υπέρθεση είναι τόσο ευαίσθητη στην αλληλεπίδραση με το περιβάλλον, που με την παραμικρή προσπάθεια παρατήρησης του γάτου, θα καταρρεύσει η «γατική κατάσταση» σε ένα από τα δυο πιθανά ενδεχόμενα – γάτος νεκρός ή γάτος ζωντανός

.  

Ανοίγοντας το κλειστό κουτί  που περιέχει τον γάτο  καταρρέει η κατάσταση υπέρθεσης στο ένα από τα δυο πιθανά ενδεχόμενα. Ευτυχώς στην περίπτωσή μας  ο γάτος εξακολουθεί να είναι ζωντανός :)

 Σύμφωνα με τον Schrödinger αυτό το πείραμα σκέψης οδηγεί σε ένα παράλογο συμπέρασμα, και λέγεται ότι αργότερα προσπάθησε να απολογηθεί για την κβαντική σύγχυση που δημιούργησε. Και οι δυο νομπελίστες του 2012 κατάφεραν να προσδιορίσουν την «γατική κατάσταση» όταν αυτή αλληλεπιδρά με τον εξωτερικό κόσμο. Επινόησαν έξυπνα πειράματα και κατάφεραν να δείξουν με μεγάλη λεπτομέρεια πως η πράξη της μέτρησης προκαλεί πραγματικά την κατάρρευση της κβαντικής κατάστασης και την απώλεια του χαρακτήρα της υπέρθεσης. Αντί του γάτου του Schrödinger, οι Haroche και Wineland παγίδευσαν κβαντικά σωματίδια και τα έθεσαν σε καταστάσεις υπέρθεσης – όπως του ζωντανού-νεκρού γάτου. Αυτά τα κβαντικά αντικείμενα δεν είναι στην πραγματικότητα μακροσκοπικά, όπως ο γάτος, αλλά είναι αρκετά μεγάλα για τα κβαντικά πρότυπα. Μέσα στην κοιλότητα του Haroche, φωτόνια μικροκυματικής συχνότητας ρυθμίζονται να βρίσκονται την ίδια στιγμή σε υπέρθεση καταστάσεων με αντίθετες φάσεις, όπως ένας δείκτης χρονομέτρου που περιστρέφεται ταυτόχρονα δεξιόστροφα και αριστερόστροφα. Μέσα στην κοιλότητα στη συνέχεια στέλνονται άτομα Rydberg. To αποτέλεσμα είναι ένα ακόμα αλλόκοτο κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται σύμπλεξη. Η σύμπλεξη περιγράφηκε επίσης από τον Erwin Schrödinger και μπορεί να προκύψει μεταξύ δυο ή περισσότερων κβαντικών σωματιδίων που ακόμα κι αν απέχουν μεταξύ τους τεράστιες αποστάσεις, μπορεί το ένα να «διαβάζει» και να επηρεάζει τις ιδιότητες του άλλου.

  Στα πρόθυρα μιας νέας τεχνολογικής επανάστασης: οι κβαντικοί υπολογιστές

Μια πιθανή εφαρμογή των παγίδων ιόντων που ονειρεύονται πολλοί επιστήμονες είναι οι κβαντικοί υπολογιστές. Σήμερα, στους κλασικούς υπολογιστές η μικρότερη μονάδα πληροφορίας είναι το 1 bit που παίρνει τιμές 0 ή 1. Σε έναν κβαντικό υπολογιστή η βασική μονάδα πληροφορίας – το κβαντικό bit ή qubit – μπορεί να πάρει τις τιμές 0 και 1 ταυτόχρονα. Δυο κβαντικά bit μπορούν να πάρουν ταυτόχρονα 4 τιμές – 00, 01, 10 και 11 – και κάθε επιπλέον qubit διπλασιάζει τον αριθμό των δυνατών καταστάσεων. Για n qubits υπάρχουν 2ⁿ δυνατές καταστάσεις, και ο κβαντικός υπολογιστής με μόνο 300 qubits μπορεί να πάρει 2³⁰⁰ τιμές ταυτόχρονα, πιο πολλές από τα σωματίδια που περιέχονται στο σύμπαν. Η ερευνητική ομάδα του Wineland ήταν η πρώτη στον κόσμο που κατάφερε να παρουσιάσει μια κβαντική λειτουργία με δυο κβαντικά bits. Δεδομένου ότι λειτουργίες χειρισμών με λίγα qubits έχουν ήδη πραγματοποιηθεί, είναι λογικό να αναμένουμε ότι στο μέλλον θα επιτευχθεί ο χειρισμός ακόμη περισσοτέρων qubits. Ωστόσο, η κατασκευή ενός τέτοιου κβαντικού υπολογιστή είναι μια τεράστια τεχνολογική πρόκληση. Ο κβαντικός υπολογιστής πρέπει να ικανοποιεί δυο αντίθετες απαιτήσεις: τα qubits πρέπει να είναι επαρκώς απομονωμένα από το περιβάλλον τους για να μην καταστρέφονται οι κβαντικές ιδιότητές τους, όμως θα πρέπει επίσης να μπορεί να επικοινωνεί με τον έξω κόσμο, ώστε να διαβιβάζει τα αποτελέσματα των υπολογισμών του. Ίσως ο κβαντικός υπολογιστής να κατασκευαστεί σ’ αυτόν το αιώνα. Αν ναι, τότε θα προκύψουν τεράστιες αλλαγές στον τρόπο ζωής μας – μεγαλύτερες απ’ αυτές που προκάλεσαν οι κλασικοί υπολογιστές.

Ο David Wineland και η ερευνητική ομάδα του χρησιμοποίησαν επίσης παγίδες ιόντων, για να κατασκευάσουν ένα ρολόι το οποίο είναι εκατοντάδες φορές πιο ακριβές από τα ατομικά ρολόγια Καισίου – τα οποία χρησιμοποιούνται ως πρότυπα στην μέτρηση του χρόνου. Τα ρολόγια Καισίου λειτουργούν στο εύρος των μικροκυμάτων, ενώ τα ρολόγια του Wineland χρησιμοποιούν το ορατό φως – εξ’ ου και το όνομα οπτικά ρολόγια.

Οπτικό ρολόι. Μια πρακτική εφαρμογή της παγίδας ιόντων είναι η κατασκευή ενός ρολογιού που είναι εκατοντάδες φορές πιο ακριβές από τα ατομικά ρολόγια Καισίου. Ένα τέτοιο ρολόι σε χρονικό διάστημα 14 δισεκατομμυρίων χρόνων (το σύμπαν έχει μικρότερη ηλικία) χάνει λιγότερο από 5 δευτερόλεπτα!

 Ένα οπτικό ρολόι μπορεί να κατασκευαστεί με ένα ή δυο ιόντα σε μια παγίδα. Όταν περιέχει δυο ιόντα, το ένα χρησιμοποιείται ως ρολόι, και το άλλο χρησιμοποιείται για να «διαβάζουμε» το ρολόι χωρίς να καταστρέφουμε την κατάστασή του ή να το κάνουμε να χάνει «τικ-τακ». Η ακρίβεια ενός οπτικού ρολογιού είναι καλύτερη από 1 προς 10¹⁷, που σημαίνει ότι αν ένα τέτοιο ρολόι άρχιζε την λειτουργία του πριν από 14 δισεκατομμύρια χρόνια – από την αρχή της δημιουργίας του σύμπαντος την Μεγάλη Έκρηξη – τότε μέχρι σήμερα θα είχε χάσει περίπου 5 δευτερόλεπτα!! Με τέτοια ακριβή μέτρηση του χρόνου μπορούν να μελετηθούν κάποια εξαιρετικά λεπτά και εντυπωσιακά φαινόμενα της φύσης, όπως η εξάρτηση της ροής του χρόνου από την σχετική κίνηση και τη βαρύτητα. Οι υψηλές ταχύτητες και η ισχυρή βαρύτητα, κάνουν τον χρόνο να ρέει πιο αργά. Εμείς μπορεί να μην αντιλαμβανόμαστε αυτά τα φαινόμενα, όμως αποτελούν ήδη μέρος της καθημερινής μας ζωής. Η πλοήγηση με τη χρήση GPS βασίζεται σε σήματα από δορυφόρους που χρησιμοποιούν ρολόγια τα οποία διορθώνονται εξαιτίας του γεγονότος ότι η βαρύτητα είναι λίγο ασθενέστερη μερικά χιλιόμετρα πάνω από τη Γη. Με ένα οπτικό ρολόι είναι δυνατή η μέτρηση της διαφοράς στη ροή του χρόνου ακόμη κι αν η ταχύτητα του ρολογιού είναι μικρότερη από 10 μέτρα ανά δευτερόλεπτο ή όταν υπάρχει υψομετρική διαφορά μόνο 30 εκατοστά.
 Πηγή: THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES