Μια μέθοδος που βασίζεται στη βολή υλικών με νετρόνια μπορεί να μετρήσει πόση κβαντική διεμπλοκή κρύβεται μέσα τους, κάτι που θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες μορφές κβαντικής τεχνολογίας.
Του Karmela Padavic-Callaghan
Η συμπεριφορά δύο διαφορετικών σωματιδίων μπορεί να συνδεθεί μέσω της κβαντικής διεμπλοκής. Science Photo Library / Alamy
Η συμπεριφορά δύο διαφορετικών σωματιδίων μπορεί να συνδεθεί μέσω της κβαντικής διεμπλοκής.
Science Photo Library / Alamy
Πλέον υπάρχει επιτέλους ένας τρόπος να μετριέται η κβαντική διεμπλοκή σε στερεά, κάτι που θα μπορούσε να οδηγήσει σε προόδους τόσο στην κβαντική τεχνολογία όσο και στη θεμελιώδη φυσική.
Όταν μιλάμε για κβαντική διεμπλοκή – τον αδιάσπαστο δεσμό ανάμεσα σε κβαντικά σωματίδια, που κρατά τις ιδιότητές τους συσχετισμένες ακόμη κι όταν βρίσκονται εξαιρετικά μακριά μεταξύ τους – οι ερευνητές έχουν περιορισμένα πειραματικά εργαλεία. Μπορούν, για παράδειγμα, να διαπιστώσουν αν δύο σωματίδια είναι διεμπλεγμένα με μια διαδικασία που ονομάζεται δοκιμή Bell και να δημιουργήσουν εσκεμμένα διεμπλοκή μεταξύ πολλών αντικειμένων μέσα σε κβαντικούς υπολογιστές.
Κβαντικό πείραμα λύνει μια διαμάχη ενός αιώνα ανάμεσα στον Αϊνστάιν και τον Μπορ
Όμως το να διαπιστωθεί αν ένα κομμάτι υλικού περιέχει πολλά διεμπλεγμένα σωματίδια είναι πολύ πιο δύσκολο. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για την ανάπτυξη νέων και καλύτερων συσκευών για κβαντικούς υπολογιστές και κβαντική επικοινωνία, που απαιτούν διεμπλοκή.
Ο Άλεν Σάι από το Los Alamos National Laboratory στο Νέο Μεξικό και οι συνεργάτες του πέρασαν περισσότερο από μισή δεκαετία αναπτύσσοντας μια τεχνική γι’ αυτό ακριβώς, και πλέον αυτή λειτουργεί.
«Έχουμε αποδείξει ότι λειτουργεί, 100%, και τώρα καθιερώνουμε τις διαδικασίες που χρειάζονται για να μπορεί να εφαρμοστεί σε διαφορετικά υλικά», λέει ο Σάι.
Η μέθοδος της ομάδας περιλαμβάνει τη βομβάρδιση ενός δείγματος υλικού με νετρόνια, τα οποία στη συνέχεια συλλέγονται σε ανιχνευτή. Από τη δεκαετία του 1950, οι ερευνητές γνωρίζουν ότι η ανάλυση των ιδιοτήτων αυτών των νετρονίων μπορεί να αποκαλύψει τη διάταξη και τη συμπεριφορά των κβαντικών σωματιδίων μέσα στο υλικό. Ο Σάι και οι συνεργάτες του τα χρησιμοποίησαν για να υπολογίσουν την κβαντική πληροφορία Fisher, ή QFI, έναν αριθμό που δείχνει τον ελάχιστο αριθμό κβαντικών σωματιδίων μέσα στο υλικό που πρέπει να είναι διεμπλεγμένα ώστε να έχουν επηρεάσει τα νετρόνια με τον τρόπο που καταγράφηκε.
Οι ερευνητές δοκίμασαν τη μέθοδό τους σε αρκετά μαγνητικά υλικά, μεταξύ των οποίων και ένας καλά μελετημένος κρύσταλλος από κάλιο, χαλκό και φθόριο. Ο Πόντους Λόρελ από το University of Missouri, μέλος της ομάδας, λέει ότι σε αυτή την περίπτωση τα ευρήματα μπορούσαν να συγκριθούν απευθείας με προσομοίωση στον υπολογιστή της κβαντικής δομής του κρυστάλλου, ώστε να επιβεβαιωθεί η νέα μέθοδος. «Υπήρχε μια εντυπωσιακά στενή συμφωνία ανάμεσα στις πειραματικές και τις θεωρητικές καμπύλες».
Ο Λόρελ λέει ότι και άλλοι ερευνητές έχουν μελετήσει στο παρελθόν την QFI και παρόμοιους δείκτες ως πιθανούς πειραματικούς «μάρτυρες διεμπλοκής», όμως η δική τους ομάδα είναι η πρώτη που καθιερώνει έναν σαφή, αξιόπιστο και γενικά εφαρμόσιμο τρόπο μέτρησής της. Μεγάλο μέρος της δουλειάς έγινε για να ρυθμιστούν σωστά οι λεπτομέρειες, κάτι που πλέον ανοίγει τον δρόμο για δοκιμές σε κάθε είδους υλικά, ακόμη και σε εκείνα που θα μπορούσαν κάποτε να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή νέων συσκευών.
Μπορούμε να λύσουμε το μεγαλύτερο πρόβλημα της κβαντικής θεωρίας επαναπροσδιορίζοντας την πραγματικότητα;
Σημαντικό είναι ότι η μέθοδος της ομάδας λειτουργεί είτε υπάρχει είτε δεν υπάρχει ήδη ένα καλό μαθηματικό μοντέλο για το υλικό, ενώ παραμένει αποτελεσματική ακόμη και όταν τα δείγματα δεν είναι τέλεια. «Αυτό είναι το ωραίο με τη μέθοδο. Μπορείς να μετρήσεις την κβαντική πληροφορία Fisher σε κάθε περίπτωση», λέει ο Σάι. Παρουσίασε την εργασία στο American Physical Society Global Physics Summit στο Ντένβερ του Κολοράντο, στις 17 Μαρτίου.
Σε έναν μήνα, οι ερευνητές θα ανεβάσουν το επίπεδο της μεθόδου, μετρώντας την QFI ενός υλικού καθώς πλησιάζει μια μεταβολή φάσης – το κβαντικό αντίστοιχο του σημείου όπου το νερό γίνεται πάγος. Τα θεωρητικά μοντέλα συχνά καταρρέουν σε αυτό το σημείο ή προβλέπουν ότι η διεμπλοκή θα εκτοξευθεί, οπότε υπάρχει πιθανότητα για μια πραγματική κβαντική ανακάλυψη, λέει ο Σάι.
