Οι καθημερινές μας εμπειρίες υπακούν σε σαφείς, λογικούς κανόνες. Για παράδειγμα, αν βρεθεί ένα γράμμα στο γραμματοκιβώτιό μας, προφανώς κάποιος το έβαλε εκεί. Αυτή η απλή λογική, υποθέτει ότι τα αντικείμενα υπάρχουν και είναι σαφώς ορισμένα και ότι τα γεγονότα είναι προβλέψιμα, και επηρεάζονται αποκλειστικά από το άμεσο περιβάλλον τους.
Με κλασικούς όρους, θα ήταν παράδοξο για ένα συμβάν να λάβει χώρα χωρίς αιτιακή σύνδεση, δηλαδή να εμφανιστεί ένα γράμμα στο γραμματοκιβώτιό μας χωρίς να το έχει παραδώσει ο ταχυδρόμος. Με κβαντικούς όμως όρους αυτό μπορεί και να συμβεί…
Η κβαντομηχανική μελετά το πώς λειτουργεί ο κόσμος σε υποατομικό επίπεδο, ενώ η γενική σχετικότητα περιγράφει την κλασική θεωρία, η οποία έχει πτυχές αυτού που οι φυσικοί αποκαλούν τοπικό ρεαλισμό, όπου τα πράγματα συμβαίνουν γύρω μας με τον τρόπο που περιμένουμε να συμβούν και με τη σειρά που περιμένουμε.
Οι φυσικοί προσπάθησαν για δεκαετίες και απέτυχαν να ενώσουν τις δύο θεωρίες. Το πρόβλημα έχει γίνει πιο δύσκολο τα τελευταία χρόνια καθώς οι ερευνητικές προσπάθειες έχουν δείξει ότι οι διαφορές μεταξύ τους είναι μεγαλύτερες από ό,τι πιστεύεται.
Σε μια νέα προσπάθεια, ερευνητές στην Κίνα επιχείρησαν να δουν πόσο η μη κλασική κβαντομηχανική διαφέρει από την κλασική θεωρία, πραγματοποιώντας ένα πείραμα για να καταδείξουν το παράδοξο Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).
Δεν ισχύουν κλασικοί συλλογισμοί
Στη φυσική στον τομέα της κβαντικής θεωρίας πληροφοριών (πληροφορία της κατάστασης ενός κβαντικού συστήματος) μια κατάσταση Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) είναι μια μορφή κβαντικής σύμπλεξης (μιας πολύ ιδιαίτερης αλληλεξάρτησης σωματιδιών) που περιλαμβάνει τουλάχιστον τρία υποσυστήματα (σωματιδιακές καταστάσεις, qubits ή qudits).
Η κβαντική σύμπλεξη είναι το φαινόμενο όπου μια ομάδα σωματιδίων αλληλεπιδρούν με τρόπο τέτοιο ώστε η κβαντική κατάσταση κάθε σωματιδίου της ομάδας να μην μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα από την κατάσταση των άλλων, ακόμη και όταν τα σωματίδια είναι φυσικά διαχωρισμένα μεταξύ τους.
Το παράδοξο Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) οφείλει το όνομά του στους τρεις συγγραφείς που το περιέγραψαν για πρώτη φορά, και προβλέπει αποτελέσματα από πειράματα που έρχονται σε άμεση αντίθεση με προβλέψεις από κάθε κλασική τοπική θεωρία κρυμμένων μεταβλητών (ένα ντετερμινιστικό φυσικό μοντέλο που επιδιώκει να εξηγήσει την πιθανολογική φύση της κβαντικής μηχανικής εισάγοντας πρόσθετες-πιθανώς απρόσιτες μεταβλητές).
Αυτές οι καταστάσεις σύμπλεξης παρέχουν τη βάση για κβαντικά δίκτυα επικοινωνίας, επιτρέποντας ταχύτερα πρωτόκολλα επικοινωνίας και ενισχύοντας τα μέτρα ασφάλειας μέσω της κβαντικής κρυπτογραφίας. Αυτές οι εξελίξεις θα μπορούσαν να φέρουν ριζικές αλλαγές στον τρόπο αποθήκευσης, ανταλλαγής και ασφάλειας των δεδομένων.
Η κβαντομηχανική απορρίπτει απλούς συλλογισμούς όπως αυτόν του γράμματος που τοποθέτησε ο ταχυδρόμος στο γραμματοκιβώτιο. Σε αυτόν τον παράξενο κβαντικό κόσμο, τα σωματίδια μπορούν να υπάρχουν σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα μέχρι να τα παρατηρήσει κάποιος. Το παράδοξο GHZ λέει πως αν χρησιμοποιήσουμε τους κλασικούς κανόνες εξαγωγής συμπερασμάτων, βρίσκουμε ότι ένα αποτέλεσμα στο πείραμα είναι +1, ενώ η κβαντική μας λέει ότι είναι -1. Ουσιαστικά παραβιάζει τους κλασικούς κανόνες υποδηλώνοντας ακόμη και παράλογα αποτελέσματα ότι δηλαδή το +1 είναι ταυτόχρονα -1.
Διεύρυνση του πεδίου εφαρμογής της κβαντικής σύμπλεξης
Για να διερευνήσει αυτές τις περίεργες προβλέψεις, η ερευνητική ομάδα από την Κίνα διεξήγαγε ένα φιλόδοξο πείραμα επιβεβαιώνοντας τα κβαντικά αποτελέσματα σε πρωτοφανή βαθμό. Συμπλέκοντας φωτόνια και επεκτείνοντας δραματικά το πεδίο εφαρμογής του πειράματος, επιβεβαίωσαν ότι η κβαντική πραγματικότητα έρχεται σε πλήρη αντίθεση με την κλασική σκέψη.
Αρχικά, η κατάσταση GHZ περιέγραφε την κβαντική παραδοξότητα χρησιμοποιώντας ένα χώρο κβαντικών καταστάσεων με τρεις διαστάσεις. Οι Κινέζοι φυσικοί προχώρησαν την κβαντική παραδοξότητα σε ένα εκπληκτικό νέο επίπεδο μετρώντας το φως σε έναν χώρο κβαντικών καταστάσεων με 37 διαστάσεις. Να διευκρινιστεί ότι ο αριθμός 37 είναι ο μέγιστος αριθμός των διαφορετικών ανεξάρτητων αποτελεσμάτων που μπορεί να δώσει μία μέτρηση σε αυτό το σύστημα και δεν έχει σχέση με τον αριθμό των διαστάσεων του φυσικού χώρου.
Το πρωτοποριακό αυτό πείραμα ωθεί την κβαντική μηχανική πέρα από τις κλασικές προσδοκίες, «ταρακουνώντας» παγιωμένες ιδέες για την ίδια την πραγματικότητα.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα εξειδικευμένο σύστημα (φωτονικό επεξεργαστή) βασισμένο σε οπτικές ίνες για να αποκαλύψουν το παράδοξο Greenberger-Horne-Zeilinger με έναν ριζικά νέο τρόπο. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιώντας ηλεκτρο-οπτική σειρά διαμορφωτή υψηλής ταχύτητας και κωδικοποίηση time-bin, οι ερευνητές μπόρεσαν να ελέγξουν και να χαρτογραφήσουν κβαντικές μετρήσεις σε 37 διαστάσεις, επιτυγχάνοντας νέα ρεκόρ για την πειραματική κβαντομηχανική. Τα ευρήματά τους υπογραμμίζουν ότι η κβαντική φυσική είναι πολύ πιο περίεργη από ό,τι είχε προηγουμένως κατανοηθεί.
Ο χειρισμός των κβαντικών καταστάσεων σε αυτή την κλίμακα επέτρεψε στους ερευνητές να διερευνήσουν σε βάθος το πώς η κβαντική μηχανική αποκλίνει από την κοινή λογική και την κλασική φυσική.
Η κατάρρευση του τοπικού ρεαλισμού
Ένα από τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από το πείραμα είναι ότι τελικά η κβαντομηχανική δεν συμμορφώνεται με τις κλασικές προσδοκίες. Δημιουργώντας ένα παράδοξο τύπου GHZ σε 37 διαστάσεις, οι ερευνητές κατέδειξαν μια κατάρρευση του τοπικού ρεαλισμού με τρόπους που δεν είχαν εξερευνηθεί στο παρελθόν.
«Στο συγκεκριμένο πείραμα το ζήτημα δεν είναι τόσο η κβαντική μη-τοπικότητα όσο η κβαντική πλαισιοθέτηση (contextuality). Δηλαδή στην κλασική φυσική υποθέτουμε ότι οι μετρήσεις αποκαλύπτουν ιδιότητες που προϋπάρχουν και είναι ανεξάρτητες της μέτρησης. Τα πειράματα αυτού του τύπου δείχνουν ότι δεν υπάρχουν τέτοιες ιδιότητες, ή μάλλον ότι οι μόνες ιδιότητες που μπορούν να υπάρχουν εξαρτώνται από το είδος της μέτρησης που κάνει κάποιος. Η μέτρηση ορίζει το πλαίσιο αναφοράς της ιδιότητας (context). Δυο αποτελέσματα μέτρησης που είναι μαθηματικά ίδια, δεν αντιστοιχούν στην ίδια ιδιότητα αν γίνονται σε διαφορετικό πλαίσιο αναφοράς (τύπο μέτρησης)», σχολιάζει στο Dnews ο καθηγητής Χάρης Αναστόπουλος στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών.
Με κλασικούς όρους, το παράδοξο υποδηλώνει ότι ένα συμβάν θα μπορούσε να συμβεί χωρίς αιτιακή σύνδεση, όπως ένα γράμμα να εμφανιστεί στο γραμματοκιβώτιό μας χωρίς να το έχει παραδώσει ο ταχυδρόμος. Σε κβαντικούς όρους, το πείραμα έδειξε ότι η σχέση μεταξύ των σωματιδίων σε κατάσταση κβαντικής σύμπλεξης ήταν τόσο βαθιά μη τοπική που οι συσχετίσεις τους δεν μπορούσαν να εξηγηθούν με καμία θεωρία κρυμμένων μεταβλητών.
Η ερευνητική ομάδα επιβεβαίωσε μαθηματικά ότι το πείραμά της πέτυχε την ισχυρότερη καταγεγραμμένη εκδήλωση κβαντικής μη τοπικότητας. Δείχνοντας ότι το παράδοξο ισχύει ακόμη και κάτω από ακραίες συνθήκες, παρέχοντας νέα στοιχεία ότι τα κλασικά μοντέλα αποτυγχάνουν να εξηγήσουν τον κβαντικό κόσμο.
Μελλοντικές επιπτώσεις για τους κβαντικούς υπολογιστές και την τεχνολογία
Τα ευρήματα αυτής της μελέτης που παρουσιάστηκαν στο Science Advance έχουν σημαντικές επιπτώσεις στον κβαντικό υπολογισμό και την επεξεργασία πληροφοριών. Τα παράδοξα τύπου GHZ, τα οποία καταδεικνύουν την αποτυχία των κλασικών περιγραφών, είναι απαραίτητα για την κατανόηση των κβαντικών συσχετισμών. Αυτοί οι συσχετισμοί αποτελούν τη ραχοκοκαλιά των κβαντικών υπολογιστών, της κρυπτογράφησης και άλλων προηγμένων τεχνολογιών.
Αποδεικνύοντας ότι ένα παράδοξο GHZ τριών υποσυστημάτων μπορεί να υπάρχει σε έναν 37-διάστατο χώρο κβαντικών καταστάσεων, οι ερευνητές καθιέρωσαν νέους περιορισμούς στη φύση των κβαντικών συστημάτων. Τα ευρήματά τους υποδηλώνουν ότι ο κβαντικός υπολογισμός θα μπορούσε να αξιοποιήσει μια τέτοια ακραία μη κλασικότητα για να επιτύχει ακόμη μεγαλύτερη απόδοση και επεξεργαστική ισχύ.
Η μελέτη όμως έχει και φιλοσοφικές προεκτάσεις, καθώς εγείρει ερωτήματα αφενός σχετικά με την φύση της πραγματικότητας και αφετέρου σχετικά με το γιατί οι άνθρωποι βιώνουν την πραγματικότητα με κλασικούς όρους, παρά το γεγονός ότι το σύμπαν συμπεριφέρεται με μη κλασικούς τρόπους σε κβαντικό επίπεδο.
«Η συγκεκριμένη μελέτη είναι άλλη μία πειραματική κατάρριψη της φιλοσοφικής θεωρίας της απόλυτης φυσικής αιτιοκρατίας (του ντετερμινισμού), σύμφωνα με την οποία όλα στην φύση συμβαίνουν ως μία αδιάσπαστη αλυσίδα αιτίου-αιτιατού, οπότε δεν υπάρχει κανένα τυχαίο γεγονός. Επιπλέον, οι συγκεκριμένες παρατηρήσεις αποτελούν άλλη μία πειραματική επιβεβαίωση της φυσικής ελευθεροκρατίας του φιλοσόφου Επίκουρου, ο οποίος πρότεινε ότι υπάρχει εγγενής ύπαρξη της τυχαιότητας στην φύση («παρέκκλιση»), η οποία συμβαίνει μεν σπανιότερα, αλλά έτσι επιτρέπεται να υπάρχει η ελεύθερη βούληση του ανθρώπου, καθώς σπάει η απόλυτη ντετερμινιστική αλυσίδα αιτίου-αιτιατού.
Αυτό σημαίνει ότι κάθε άνθρωπος είναι έως έναν βαθμό ελεύθερος να διαμορφώσει την ζωή του, αλλά και υπεύθυνος για τον χαρακτήρα και τις πράξεις του. Η πρόσφατη πειραματική μελέτη βεβαίως καταρρίπτει και την θεωρία της συμβατοκρατίας που υποστηρίζει ότι ελευθερία υπάρχει μόνο στον νου των ανθρώπων, αφού βεβαίως την παρατηρούμε στην βασική δομή όλης της φύσης», σχολιάζει ο αναπληρωτής καθηγητής Γενετικής της Ιατρικής Σχολής του Εθνικού Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών και Σύμβουλος του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Φιλοσοφίας της Φιλοσοφικής Σχολής του ίδιου Πανεπιστημίου, κ. Χρήστος Γιαπιτζάκης.
Τα αποτελέσματα του πειράματος υποδηλώνουν ότι αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως πραγματικότητα μπορεί να είναι απλώς μια απλοποιημένη εκδοχή μιας πολύ πιο περίπλοκης κβαντικής δομής.
«Ωστόσο, οι πολλές διαστάσεις δεν είναι για καλό. Όσο λιγότερες τόσο το καλύτερο. Τόσο θεωρητικά, καθώς λιγότερες διαστάσεις δείχνουν ότι το φαινόμενο είναι πιο διαδεδομένο, όσο και πρακτικά, καθώς πολλές διαστάσεις είναι δύσχρηστες», εκτιμά ο καθηγητής Αναστόπουλος.
Καθώς η κβαντική έρευνα συνεχίζεται, νέα πειράματα πιθανότατα να ξεπεράσουν τις 37 διαστάσεις, προχωρώντας ακόμη περισσότερο προς στο άγνωστο. Τα ευρήματα από αυτή τη μελέτη είναι μόνο η αρχή μιας βαθύτερης εξερεύνησης της παράδοξης φύσης της κβαντικής μηχανικής.
Εάν αυτή είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου, ο κβαντικός κόσμος μπορεί να επιφυλάσσει ακόμη μεγαλύτερες εκπλήξεις κάτω από την επιφάνεια.
