Η κβαντική εμπλοκή παραμένει ένας από τους πιο απαιτητικούς τομείς σπουδών για τους σύγχρονους φυσικούς. Περιγράφεται από τον Αϊνστάιν ως «τρομακτική δράση από απόσταση», οι επιστήμονες έχουν από καιρό προσπαθήσει να συμβιβάσουν πώς αυτή η πτυχή της κβαντικής μηχανικής μπορεί να συνυπάρξει με την κλασική μηχανική. Ουσιαστικά, το γεγονός ότι δύο σωματίδια μπορούν να συνδεθούν σε μεγάλες αποστάσεις παραβιάζει τους κανόνες της τοποθεσίας και του ρεαλισμού.
Τυπικά, αυτό αποτελεί παραβίαση της Bell's Ineqaulity, μια θεωρία που χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες για να δείξει ότι η τοποθεσία και ο ρεαλισμός είναι έγκυρες παρά το γεγονός ότι δεν συμφωνούν με την κβαντική μηχανική. Ωστόσο, σε μια πρόσφατη μελέτη, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Ludwig-Maximilian (LMU) και το Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική στο Μόναχο διεξήγαγαν δοκιμές που παραβιάζουν και πάλι την ανισότητα του Bell και αποδεικνύουν την ύπαρξη εμπλοκής.
Η μελέτη τους, με τίτλο "Δοκιμή με δυνατότητα εκδήλωσης κουδουνιού με χρήση εμπλεγμένων ατόμων ταυτόχρονα κλείσιμο ανίχνευσης και κενά τοποθεσίας", δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Επιστολές φυσικής αναθεώρησης. Με επικεφαλής τον Wenjamin Rosenfeld, φυσικό στο LMU και το Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική, η ομάδα προσπάθησε να δοκιμάσει την ανισότητα του Bell εμπλέκοντας δύο σωματίδια σε απόσταση.
Η ανισότητα του Bell (πήρε το όνομά της από τον Ιρλανδό φυσικό John Bell, ο οποίος το πρότεινε το 1964) ουσιαστικά δηλώνει ότι οι ιδιότητες των αντικειμένων υπάρχουν ανεξάρτητα από την παρατήρηση (ρεαλισμός), και καμία πληροφορία ή φυσική επιρροή δεν μπορεί να διαδώσει γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός (τοποθεσία). Αυτοί οι κανόνες περιγράφουν τέλεια την πραγματικότητα που βιώνουμε τα ανθρώπινα όντα σε καθημερινή βάση, όπου τα πράγματα έχουν τις ρίζες τους σε έναν συγκεκριμένο χώρο και χρόνο και υπάρχουν ανεξάρτητα από έναν παρατηρητή.
Ωστόσο, σε κβαντικό επίπεδο, τα πράγματα δεν φαίνεται να ακολουθούν αυτούς τους κανόνες. Όχι μόνο τα σωματίδια μπορούν να συνδεθούν με μη τοπικούς τρόπους σε μεγάλες αποστάσεις (δηλαδή εμπλοκή), αλλά οι ιδιότητες αυτών των σωματιδίων δεν μπορούν να καθοριστούν έως ότου μετρηθούν. Και ενώ όλα τα πειράματα έχουν επιβεβαιώσει ότι οι προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής είναι σωστές, ορισμένοι επιστήμονες συνέχισαν να υποστηρίζουν ότι υπάρχουν κενά που επιτρέπουν τον τοπικό ρεαλισμό.
Για να αντιμετωπιστεί αυτό, η ομάδα του Μονάχου διεξήγαγε ένα πείραμα χρησιμοποιώντας δύο εργαστήρια στο LMU. Ενώ το πρώτο εργαστήριο βρισκόταν στο υπόγειο του τμήματος φυσικής, το δεύτερο βρίσκεται στο υπόγειο του τμήματος οικονομικών - περίπου 400 μέτρα μακριά. Και στα δύο εργαστήρια, οι ομάδες συνέλαβαν ένα άτομο ρουβιδίου σε μια τοπική παγίδα και στη συνέχεια άρχισαν να τους συναρπάζουν μέχρι να κυκλοφορήσουν ένα μόνο φωτόνιο.
Όπως εξήγησε ο Δρ Wenjamin Rosenfeld σε δελτίο τύπου του Ινστιτούτου Max Planck:
«Οι δύο σταθμοί παρατηρητών μας λειτουργούν ανεξάρτητα και είναι εξοπλισμένοι με τα δικά τους συστήματα λέιζερ και ελέγχου. Λόγω της απόστασης 400 μέτρων μεταξύ των εργαστηρίων, η επικοινωνία μεταξύ τους θα διαρκούσε 1328 νανοδευτερόλεπτα, κάτι που είναι πολύ περισσότερο από τη διάρκεια της διαδικασίας μέτρησης. Έτσι, καμία άλλη πληροφορία σχετικά με τη μέτρηση σε ένα εργαστήριο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο άλλο εργαστήριο. Έτσι κλείνουμε το παραθυράκι της περιοχής. "
Μόλις τα δύο άτομα ρουβιδίου ενθουσιάστηκαν στο σημείο απελευθέρωσης ενός φωτονίου, οι καταστάσεις περιστροφής των ατόμων του ρουβιδίου και οι καταστάσεις πόλωσης των φωτονίων μπλέχθηκαν αποτελεσματικά. Τα φωτόνια στη συνέχεια συζεύχθηκαν σε οπτικές ίνες και κατευθύνθηκαν σε μια διάταξη όπου έπεσαν σε παρεμβολές. Αφού διεξήγαγαν μια μέτρηση για οκτώ ημέρες, οι επιστήμονες μπόρεσαν να συλλέξουν περίπου 10.000 συμβάντα για να ελέγξουν για σημάδια εμπλοκής.
Αυτό θα είχε υποδειχθεί από τις περιστροφές των δύο παγιδευμένων ατόμων ρουβιδίου, τα οποία θα δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση (ή προς την αντίθετη κατεύθυνση, ανάλογα με το είδος της εμπλοκής). Αυτό που βρήκε η ομάδα του Μονάχου ήταν ότι για τη συντριπτική πλειοψηφία των γεγονότων, τα άτομα βρίσκονταν στην ίδια κατάσταση (ή στην αντίθετη κατάσταση) και ότι υπήρχαν μόνο έξι αποκλίσεις σύμφωνα με την ανισότητα του Bell.
Αυτά τα αποτελέσματα ήταν επίσης στατιστικά πιο σημαντικά από αυτά που επιτεύχθηκε από μια ομάδα Ολλανδών φυσικών το 2015. Για χάρη αυτής της μελέτης, η ολλανδική ομάδα πραγματοποίησε πειράματα χρησιμοποιώντας ηλεκτρόνια σε διαμάντια σε εργαστήρια που απέχουν 1,3 χλμ. Στο τέλος, τα αποτελέσματά τους (και άλλες πρόσφατες δοκιμές της ανισότητας του Bell) έδειξαν ότι η κβαντική εμπλοκή είναι πραγματική, κλείνοντας αποτελεσματικά το κενό του τοπικού ρεαλισμού.
Όπως εξήγησε ο Wenjamin Rosenfeld, οι δοκιμές που διεξήγαγε η ομάδα του ξεπέρασαν και αυτά τα άλλα πειράματα αντιμετωπίζοντας ένα άλλο σημαντικό ζήτημα. «Καταφέραμε να προσδιορίσουμε την κατάσταση περιστροφής των ατόμων πολύ γρήγορα και πολύ αποτελεσματικά», είπε. "Με αυτόν τον τρόπο κλείσαμε ένα δεύτερο πιθανό κενό: η υπόθεση ότι η παραβίαση που παρατηρείται προκαλείται από ένα ελλιπές δείγμα ανιχνευμένων ζευγών ατόμων".
Με την απόδειξη της παραβίασης της ανισότητας του Bell, οι επιστήμονες όχι μόνο βοηθούν στην επίλυση μιας διαρκούς ασυμφωνίας μεταξύ της κλασικής και της κβαντικής φυσικής. Ανοίγουν επίσης την πόρτα σε μερικές συναρπαστικές δυνατότητες. Για παράδειγμα, εδώ και χρόνια, οι επιστήμονες έχουν προβλέψει την ανάπτυξη κβαντικών επεξεργαστών, οι οποίοι βασίζονται σε εμπλοκές για την προσομοίωση των μηδενικών και αυτών του δυαδικού κώδικα.
Οι υπολογιστές που βασίζονται στην κβαντική μηχανική θα ήταν εκθετικά γρηγορότεροι από τους συμβατικούς μικροεπεξεργαστές και θα εγκαινίαζαν μια νέα εποχή έρευνας και ανάπτυξης. Οι ίδιες αρχές έχουν προταθεί για την ασφάλεια στον κυβερνοχώρο, όπου η κβαντική κρυπτογράφηση θα χρησιμοποιείται για την κρυπτογράφηση πληροφοριών, καθιστώντας την άτρωτη σε χάκερ που βασίζονται σε συμβατικούς υπολογιστές.
Τέλος, αλλά σίγουρα όχι λιγότερο σημαντικό, υπάρχει η έννοια των Quantum Entanglement Communications, μια μέθοδος που θα μας επέτρεπε να μεταδίδουμε πληροφορίες πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός. Φανταστείτε τις δυνατότητες για διαστημικό ταξίδι και εξερεύνηση εάν δεν δεσμευόμαστε πλέον από τα όρια της σχετικιστικής επικοινωνίας!
Ο Αϊνστάιν δεν έκανε λάθος όταν χαρακτήρισε τις κβαντικές εμπλοκές ως «τρομακτική δράση». Πράγματι, πολλές από τις επιπτώσεις αυτού του φαινομένου είναι ακόμα τόσο τρομακτικές όσο είναι συναρπαστικές για τους φυσικούς. Όσο πλησιάζουμε λοιπόν στην κατανόησή του, τόσο πιο κοντά θα αναπτύξουμε μια κατανόηση για το πώς όλες οι γνωστές φυσικές δυνάμεις του Σύμπαντος ταιριάζουν μεταξύ τους. μια θεωρία των πάντων!
