Η κβαντική διεμπλοκή είναι μία από τις πιο παράδοξες διαφορές ανάμεσα στον κβαντικό κόσμο και τον μακροσκοπικό.
Όταν θεμελιώδη σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια ή φωτόνια, βρίσκονται σε κατάσταση διεμπλοκής, μοιράζονται μια κοινή κβαντική ταυτότητα και δεν μπορούν να περιγραφούν ως ξεχωριστές οντότητες. Υπάρχουν σε υπέρθεση, χωρίς σταθερή κατάσταση, μέχρι να μετρηθούν τουλάχιστον ένα από αυτά.
Το φαινόμενο αυτό υπερβαίνει την απόσταση. Έτσι, αν γινόταν ένα κβαντικά διεμπλεγμένο στρίψιμο νομίσματος στη Γη, το αντίστοιχο αποτέλεσμα θα εμφανιζόταν ακαριαία στον Άρη.
Φυσικά, τα αποτελέσματα αυτά είναι τυχαία και δεν μεταφέρουν πληροφορία, βάζοντας τέλος στις ελπίδες για επικοινωνία ταχύτερη από το φως ή σε ένα σύνθετο διαπλανητικό δίκτυο «μαγειρέματος» με στριψίματα νομίσματος.
Παρόλα αυτά, η διεμπλοκή είναι κρίσιμη για τις τεχνολογίες κβαντικής πληροφορίας. Το ζητούμενο είναι να μπορούμε να διεμπλέκουμε περισσότερα σωματίδια και να μετράμε καλύτερα τέτοια συστήματα.
Προς αυτή την κατεύθυνση, φυσικοί από το Kyoto University και το Hiroshima University έφεραν το μέλλον των κβαντικών εφαρμογών ένα ή λίγα βήματα πιο κοντά, σε μια σημαντική μελέτη που προσδιόρισε τη διάταξη πολυσωματιδιακών διεμπλεγμένων καταστάσεων, ξεκινώντας από τρία φωτόνια.
Στην εργασία τους, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances τον Σεπτέμβριο του 2025, οι φυσικοί ανέφεραν για πρώτη φορά μια νέα τεχνική για τη μέτρηση των λεγόμενων W-state μορφών διεμπλοκής.
Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες είχαν μετρήσει τις καταστάσεις Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), το γνωστό και θεμελιώδες «βανίλια» των πολυσωματιδιακών συστημάτων διεμπλοκής.
«Περισσότερα από 25 χρόνια μετά την αρχική πρόταση για τη διεμπλεγμένη μέτρηση στις καταστάσεις GHZ, επιτέλους πετύχαμε και τη διεμπλεγμένη μέτρηση για την κατάσταση W, με πραγματική πειραματική επίδειξη για W states τριών φωτονίων», εξηγεί ο Shigeki Takeuchi, ερευνητής στην κβαντική πληροφορική.
Όμως η «chocolate chip cookie dough» εκδοχή της διεμπλοκής W είναι πιο σύνθετη και έχει μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα που τη διαφοροποιεί από τις GHZ καταστάσεις. Στις W states, αν χαθεί ένα από τα διεμπλεγμένα σωματίδια, τα υπόλοιπα διατηρούν τη χρήσιμη διεμπλεγμένη κατάστασή τους.
Σημαντικό ρόλο στη μελέτη τέτοιων καταστάσεων παίζει η κβαντική τομογραφία. Η μέθοδος θυμίζει την αξονική τομογραφία που αποκαλύπτει τα εσωτερικά μυστικά του σώματός μας.
Απαιτεί πολλές μετρήσεις και στη συνέχεια τη σύνθεση αυτών των «τομών» σε μια ενιαία εικόνα.
Όμως η διαδικασία μπορεί να είναι αναποτελεσματική και δύσκολη, δημιουργώντας δύο πρακτικά εμπόδια.
Πρώτον, οι επιστήμονες πρέπει να παράγουν πολλά ίδια διεμπλεγμένα συστήματα, επειδή η μέτρηση των ιδιοτήτων τους τα βγάζει από τη διεμπλεγμένη κατάσταση.
Δεύτερον, οι μετρήσεις που απαιτούνται για την ανακατασκευή μιας διεμπλεγμένης κατάστασης αυξάνονται εκθετικά όσο μεγαλώνει ο αριθμός των διεμπλεγμένων σωματιδίων.
Οι ερευνητές κατάφεραν να παρακάμψουν αυτά τα προβλήματα με μια μέτρηση μίας μόνο φοράς, που προσδιόρισε ολόκληρο το διεμπλεγμένο σύστημα σε ένα βήμα.
Το πέτυχαν χρησιμοποιώντας μια οπτική διάταξη διακριτού μετασχηματισμού Fourier (DFT) δικής τους κατασκευής, η οποία λειτούργησε ως προηγμένο συμβολόμετρο.
Με άλλα λόγια, εισήγαγαν τρία φωτόνια γνωστής πόλωσης σε αυτή τη διάταξη, η οποία τα διαχώρισε σε διαφορετικές διαδρομές και στη συνέχεια τα έφερε ξανά σε σύγκρουση, ώστε να δουν πώς ευθυγραμμίζονταν οι κορυφές και οι κοιλάδες των κυματοσυναρτήσεών τους, αν δηλαδή ενισχύονταν ή αλληλοαναιρούνταν.
Έτσι, οι ερευνητές μπόρεσαν να εξετάσουν τη «συμμετρία κυκλικής μετατόπισης» της W state, κάτι σαν το αποτύπωμα ενός συστήματος που βασίζεται στη συμμετρία των κβαντικών του ιδιοτήτων.
Το «κυκλική μετατόπιση» σημαίνει ότι η δομική περιγραφή του διεμπλεγμένου συστήματος δεν αλλάζει όταν τα επιμέρους φωτόνια μετακινούνται κυκλικά.
Φανταστείτε μια ομάδα ανθρώπων καθισμένη κυκλικά γύρω από μια φωτιά. Ξαφνικά, ο καθένας σηκώνεται και μετακινείται μία θέση αριστερά, για λόγους που ίσως γνωρίζει μόνο ένα ιδιότυπο συλλογικό μυαλό τύπου Borg που δεν έχει χάσει την αρχέγονη γοητεία του για τις φλόγες.
Το κυκλικά μετατοπισμένο «κύκλωμα Borg» εξακολουθεί να μοιάζει το ίδιο.
Έτσι, οι ερευνητές κατέγραψαν μια μέση πιστότητα διάκρισης μέτρησης (MDF) 0,871 ± 0,039.
Αναγνώρισαν σωστά την κατάσταση W στο 87% των περιπτώσεων, ξεπερνώντας άνετα το μαθηματικό όριο του 66,7% (τα δύο τρίτα) για να αποδειχθεί ότι έχει επιτευχθεί μέτρηση τρισωματιδιακής διεμπλοκής και να επιβεβαιωθεί η αποτελεσματικότητα της μεθόδου τους.
Γιατί όχι 100%;
Η ομάδα αποδίδει τη διαφορά σε ατέλειες στην προετοιμασία των φωτονίων και στο ίδιο το σύστημα μέτρησης.
«Πιστεύουμε ότι αυτά τα αποτελέσματα αποτελούν ένα σημαντικό ορόσημο προς μια ευρύτερη εφαρμογή των διεμπλεγμένων μετρήσεων πολυ-qubit στην κβαντική υπολογιστική με φωτόνια, στην κβαντική επικοινωνία και στην ανίχνευση», γράφουν οι ερευνητές.
Έτσι, η εργασία αυτή ανοίγει τον δρόμο για κβαντικές εφαρμογές στην υπολογιστική και την κρυπτογραφία, χωρίς να πρόκειται φυσικά για μια κβαντική πόρτα που είναι ταυτόχρονα ανοιχτή και κλειστή, δηλαδή για το τραυματισμένο δάχτυλο του Schrödinger.
Η ομάδα σχεδιάζει τώρα να αναπτύξει φωτονικά κβαντικά κυκλώματα σε chip για αυτές τις διεμπλεγμένες μετρήσεις.
Με δεδομένο το τεράστιο τεχνολογικό πεδίο που ανοίγει η κβαντική υπολογιστική, αυτές οι εξελίξεις θα μπορούσαν να συμβάλουν, για παράδειγμα, σε έρευνα για σωτήρια φάρμακα ή σε στρατηγικές εξατομικευμένης ιατρικής.
Θα μπορούσαν επίσης να κάνουν τους λογαριασμούς ανταμοιβής της Pizza Hut πιο ασφαλείς από ποτέ — εκτός αν ένας χάκερ με όρεξη για πεπερόνι έχει επίσης πρόσβαση σε κβαντικό υπολογισμό.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Science Advances.
Το άρθρο ελέγχθηκε ως προς τα γεγονότα από τη Rebecca Dyer και επιμελήθηκε από τη Rebecca Dyer. Παρότι δίνουμε μεγάλη σημασία στη διαδικασία μας, παραμένουμε άνθρωποι. Αν εντοπίσετε κάποιο λάθος, ενημερώστε μας.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
