Νέο ρεκόρ μεγέθους στην οπτική «Γάτα του Schrödinger» - Νέοι δρόμοι για την κβαντική πληροφορική

Σύνοψη

• Ερευνητές του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Max Planck στη Γερμανία δημιούργησαν τη μεγαλύτερη οπτική έκδοση της «γάτας του Schrödinger», επιτυγχάνοντας ένα εντυπωσιακό νέο ορόσημο.
• Η πειραματική διάταξη στηρίχθηκε στη χρήση των ατόμων Rydberg, τα οποία επιτρέπουν εξαιρετικά ισχυρές αλληλεπιδράσεις χάρη στα ασυνήθιστα διογκωμένα τροχιακά των ηλεκτρονίων τους.
• Η ομάδα πέτυχε μέγεθος οπτικής κατάστασης 2.4 (άλφα στο τετράγωνο), ξεπερνώντας το προηγούμενο ρεκόρ του 1.4, ενώ ταυτόχρονα διατήρησε την απαραίτητη κβαντική συνοχή.
• Τα ευρήματα προσφέρουν νέες δυνατότητες για την αποθήκευση και επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών, γεφυρώνοντας το χάσμα ανάμεσα στην κβαντική και την κλασική μηχανική.

Η προσπάθεια των επιστημόνων να καθορίσουν τα ακριβή όρια μεταξύ του κβαντικού και του κλασικού κόσμου μόλις απέκτησε ένα νέο, σημαντικό σημείο αναφοράς, καθώς ερευνητές από το Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής Max Planck στη Γερμανία κατάφεραν να δημιουργήσουν μια ρεκόρ-έκδοση του διάσημου νοητικού πειράματος της γάτας του Schrödinger. 

Το επίτευγμα αφορά την ακραία μεγέθυνση της κατάστασης κβαντικής υπέρθεσης, όπου δύο εντελώς διαφορετικές, ακόμα και αντίθετες καταστάσεις, συνυπάρχουν ταυτόχρονα μέχρι τη στιγμή που το σύστημα θα παρατηρηθεί. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μερικά από τα πιο παράξενα και ακραία άτομα που γνωρίζει η σύγχρονη φυσική, προσπαθώντας να διαπιστώσουν πόσο μακριά μπορούν να ωθήσουν τις ιδιότητες της κβαντομηχανικής πριν αυτές καταρρεύσουν στους αυστηρούς κανόνες της κλασικής φυσικής που διέπουν τη δική μας καθημερινή εμπειρία. Η βαθύτερη κατανόηση αυτού του ορίου αποτελεί έναν από τους κύριους πυλώνες της σύγχρονης επιστημονικής έρευνας.

Η θεωρητική βάση της κβαντικής υπέρθεσης και το νοητικό πείραμα

Το διάσημο νοητικό πείραμα της γάτας του Schrödinger αποτελεί τη θεμέλιο λίθο της κατανόησης των κβαντικών παραδόξων, καθώς σχεδιάστηκε αρχικά το 1935 από τον Erwin Schrödinger προκειμένου να καταδείξει τη λογική αντίφαση που προκύπτει όταν η κβαντική υπέρθεση εφαρμόζεται σε μακροσκοπικά αντικείμενα. Μια υποθετική γάτα τοποθετείται μέσα σε ένα κλειστό κουτί μαζί με έναν μηχανισμό που απελευθερώνει δηλητήριο με βάση ένα τυχαίο κβαντικό γεγονός, οπότε, σύμφωνα με την κβαντική μηχανική, το ζώο παραμένει ταυτόχρονα ζωντανό και νεκρό μέχρι κάποιος εξωτερικός παρατηρητής να ανοίξει το κουτί και να αναγκάσει την κυματοσυνάρτηση να καταρρεύσει σε μία από τις δύο τελικές καταστάσεις.

Στον πραγματικό μικρόκοσμο, η υπέρθεση αποτελεί ένα πραγματικό, μετρήσιμο φαινόμενο όπου σωματίδια βρίσκονται σε πολλαπλές καταστάσεις την ίδια χρονική στιγμή. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση ή η διαφορά ανάμεσα στις δύο πιθανές καταστάσεις, τόσο πιο εκτεταμένη θεωρείται η συνολική κατάσταση της γάτας του Schrödinger. Ωστόσο, η αύξηση της απόστασης ανάμεσα στις καταστάσεις καθιστά την κβαντική σχέση εξαιρετικά ευάλωτη στις εξωτερικές παρεμβολές του περιβάλλοντος, οδηγώντας στην εμφάνιση της αποσυνοχής, η οποία μετατρέπει άμεσα το πολύπλοκο κβαντικό σύστημα σε ένα τυπικό, κλασικό αντικείμενο χωρίς ίχνος υπέρθεσης.

Τα άτομα Rydberg και η ελεγχόμενη διόγκωση των ηλεκτρονίων

Η επιτυχία του γερμανικού ερευνητικού ινστιτούτου στηρίχθηκε εξ ολοκλήρου στη μεθοδική χρήση των ατόμων Rydberg, τα οποία αποτελούν μια ειδική κατηγορία ατόμων με εξαιρετικά ασυνήθιστες φυσικές ιδιότητες. Σε ένα τυπικό άτομο, τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε στενή τροχιά γύρω από τον κεντρικό πυρήνα, αλλά εάν δοθεί επαρκής ενέργεια σε ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια χωρίς να προκληθεί η πλήρης απομάκρυνσή του, η ακτίνα του ατόμου διογκώνεται δραματικά. Αυτή η υπερβολική απόσταση του ηλεκτρονίου από τον πυρήνα προσδίδει στο άτομο μοναδικά χαρακτηριστικά, καθιστώντας το άκρως απαραίτητο για τα απαιτητικά πειράματα της κβαντικής οπτικής, διότι αντιδρά με ιδιαίτερη ένταση με τα γειτονικά του άτομα και τα εισερχόμενα φωτόνια.

Ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα που προσφέρουν τα συγκεκριμένα δομικά στοιχεία είναι ο λεγόμενος «αποκλεισμός Rydberg», ένας μηχανισμός κατά τον οποίο η επιτυχής διέγερση ενός ατόμου αποτρέπει αυτόματα όλα τα γειτονικά του άτομα από το να διεγερθούν αντίστοιχα, δημιουργώντας μια αλυσίδα ελέγχου υψηλής ακρίβειας. Οι ερευνητές εκμεταλλεύτηκαν ακριβώς αυτό το φαινόμενο του αποκλεισμού προκειμένου να κάνουν μεμονωμένα σωματίδια φωτός να επηρεάσουν έμμεσα το ένα το άλλο, παγιδεύοντας ένα νέφος τέτοιων ατόμων ανάμεσα σε δύο ειδικούς καθρέφτες υψηλής ανακλαστικότητας, οι οποίοι σχημάτισαν μια σταθερή οπτική κοιλότητα ικανή να πολλαπλασιάσει τις αλληλεπιδράσεις.

Η επίτευξη του ρεκόρ και η διατήρηση της συνοχής

Για να επιτύχουν τη δημιουργία της μεγαλύτερης οπτικής γάτας, οι ερευνητές έστειλαν δύο διαδοχικούς παλμούς φωτός μέσα στην οπτική κοιλότητα, όπου ο πρώτος παλμός λειτούργησε ως έλεγχος και ο δεύτερος ως στόχος. Ο παλμός ελέγχου εισήλθε στο σύστημα ευρισκόμενος σε κατάσταση υπέρθεσης δύο διαφορετικών πολώσεων, αναγκάζοντας το νέφος των ατόμων να βρίσκεται ταυτόχρονα στην κατάσταση που διέθετε μια υψηλή διέγερση Rydberg και στην κατάσταση που δεν τη διέθετε, μεταφέροντας την κβαντική αβεβαιότητα απευθείας στο ίδιο το υλικό.

Όταν ο παλμός στόχου ακολούθησε την ίδια πορεία, η συμπεριφορά του εξαρτήθηκε άμεσα από την παρουσία ή απουσία της διέγερσης του πρώτου παλμού, με αποτέλεσμα να διαχωριστεί σε δύο διαφορετικές οπτικές καταστάσεις των οποίων τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διέφεραν σαφώς ως προς τη φάση τους. Το μέγεθος των οπτικών αυτών καταστάσεων μετράται με την ποσότητα άλφα στο τετράγωνο (α²), και η ομάδα πέτυχε την απίστευτη τιμή 2.4, καταρρίπτοντας με ευκολία το προηγούμενο ρεκόρ του 1.4 για τέτοιου είδους πειραματικές διατάξεις. Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της μελέτης είναι ότι οι συγγραφείς δεν περιορίστηκαν στη δημιουργία της υπέρθεσης, αλλά απέδειξαν μέσα από εξαντλητικές μετρήσεις του φωτός ότι η κβαντική συνοχή διατηρήθηκε άψογα και στις έξι διαφορετικές καταστάσεις που εξέτασαν, πιστοποιώντας τη σταθερότητα του δεσμού ανεξάρτητα από τη μεγάλη απόσταση.

Οι ευρύτερες, σταθερότερες κβαντικές καταστάσεις γάτας ανοίγουν τον δρόμο για την αποτελεσματικότερη αποθήκευση και επεξεργασία δεδομένων, παρέχοντας μια λύση απέναντι στην ευθραυστότητα των σημερινών κβαντικών υπολογιστών, ενώ οι επιστήμονες διαβεβαιώνουν πως η μεθοδολογία τους προσφέρει μεγάλα περιθώρια βελτίωσης, υποσχόμενη ακόμη υψηλότερα ρεκόρ στο άμεσο μέλλον.