Κβαντικός ανιχνευτής που δεν θα σκοτώνει τον γάτο του Schrödinger…

Posted on 29/04/2011

0


…μας πάει πιο κοντά στους κβαντικούς υπολογιστές
Σύντομα θα είναι δυνατόν να συλλέγονται πληροφορίες από ένα κβαντικό αντικείμενο – και επιπλέον να επεμβαίνουμε σ’ αυτό – χωρίς ταυτόχρονα να καταστραφεί η εύθραυστη κβαντική του κατάσταση. Το αποτέλεσμα θα είναι ένα βήμα για τους κβαντικούς υπολογιστές, οι οποίοι απαιτούν τον έλεγχο τέτοιων καταστάσεων. Επιπτώσεις θα έχει επίσης και στο νοητικό πείραμα που εμπνεύστηκε ο φυσικός Erwin Schrödinger (Έρβιν Σρέντιγκερ): είναι πλέον δυνατόν να κρυφοκοιτάζει κανείς μέσα στο κουτί, χωρίς να τίθεται σε κίνδυνο η ζωή του γατούλη που βρίσκεται μέσα σ’ αυτό.
Καταστάσεις που αποκλείονται μεταξύ τους στην κλασσική φυσική μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα στο παράξενο κόσμο της κβαντικής μηχανικής – σε μια κατάσταση που ονομάζεται υπέρθεση. Για να περιγράψει το φαινόμενο αυτό ο Schrödinger φαντάστηκε έναν γάτο μέσα σε ένα αδιαφανές κουτί, στο οποίο βρίσκεται επίσης και μια συσκευή που μπορεί να απελευθερώσει θανατηφόρο δηλητήριο, γεγονός που εξαρτάται από την τυχαία διάσπαση ενός ραδιενεργού ατόμου.
Επειδή η κβαντική κατάσταση του ατόμου παίρνει μια ορισμένη τιμή μόνο όταν κάποιος το παρατηρήσει, ο γάτος είναι ταυτόχρονα νεκρός και ζωντανός έως ότου ανοίξουμε το κουτί.
Όμως οι υπερθέσεις είναι εύθραυστες. Οι εξωτερικές διαταραχές συμπεριλαμβανομένων και των παρατηρήσεων (από παρατηρητές), τείνουν να καταστρέψουν την «συνοχή» αυτών των καταστάσεων, αναγκάζοντας το σύστημα να καταρρεύσει σε μία μόνο από τις πιθανές δυνατότητές του. Όσο μεγαλύτερο είναι το σύστημα, τόσο πιο δύσκολο είναι να το απομονώσει κανείς από τις εξωτερικές επιρροές.
Το 2010, οι φυσικοί κατόρθωσαν να θέσουν το μεγαλύτερο, μέχρι τότε, σύστημα σε μια υπέρθεση: μια ταινία μήκους 40-μικρομέτρων από πιεζοηλεκτρικό υλικό, το οποίο διαστέλλεται και συστέλλεται εξαιτίας μεταβολών ηλεκτρικής τάσης. Το έθεσαν σε μια υπέρθεση δυο καταστάσεων, σε μια κατάσταση ελάχιστης και μια κατάσταση πιο έντονης ταλάντωσης, αλλά η μέθοδος που χρησιμοποίησαν για να παρατηρούν το σύστημα προκάλεσε την κατάρρευση της υπέρθεσης.
Μια άλλη ομάδα επιστημόνων υποδεικνύει πώς να πάμε ένα βήμα πιο πέρα, θέτοντας σε υπέρθεση ένα σύρμα περίπου στο ίδιο μέγεθος και προτείνοντας έναν τρόπο παρακολούθησής του – αλλά και ελέγχου του – χωρίς να καταστρέφεται αυτή η παράξενη κβαντική κατάσταση. Ο Kurt Jacobs στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στη Βοστώνη και η ομάδα του περιγράφουν την ιδέα τους σε ένα άρθρο τους που θα δημοσιευθεί στο Physical Review Α .
Το πρώτο βήμα είναι να τεθεί το σύρμα σε μια υπέρθεση δυο καταστάσεων ταλάντωσης. Οι δυο ταλαντώσεις – όπως οι ταλαντώσεις της χορδής μιας κιθάρας – έχουν αντίθετες κατευθύνσεις αλλά ίδιο πλάτος. Στη συνέχεια, ένα ηλεκτρικό φορτίο τοποθετείται στο σύρμα. Το ηλεκτρικό φορτίο θα ταλαντώνεται μαζί με το σύρμα δημιουργώντας ταυτόχρονα ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το οποίο μπορεί να ανιχνευθεί από έναν αισθητήρα(Βλέπε σχήμα).
Ο αισθητήρας δεν μπορεί να προσδιορίσει επακριβώς η θέση του φορτίου – και ως εκ τούτου και την θέση του σύρματος – μπορεί όμως να ανιχνεύσει πόσο μακριά βρίσκεται το φορτίο από τη θέση ισορροπίας. Αυτό αποκαλύπτει κάποιες πληροφορίες για το σύστημα – ουσιαστικά ισοδυναμεί με μια ματιά μέσα στο κουτί που περιέχει τον γάτο του Schrödinger. Το σημαντικό είναι ότι αποφεύγεται το άνοιγμα του κουτιού, που καταστρέφει την υπέρθεση, και σύμφωνα με τον Jacobs: «Εξάγουμε πληροφορία, αλλά με έναν τρόπο που δεν μαθαίνουμε πάρα πολλά.»
Παλαιότερες διατάξεις με τις οποίες μπορούσε κάποιος να «ρίξει μια ματιά» μέσα στο κουτί, εν μέρει κατέστρεφαν την επαλληλία και στη συνέχεια προσπαθούσαν να την αποκαταστήσουν. «Στο άρθρο μας, το κρίσιμο ζήτημα είναι ότι η μέτρηση δεν καταστρέφει την υπέρθεση», λέει ο Jacobs.
Η ομάδα προτείνει επίσης και την ρύθμιση της τάσης του σύρματος για να μεταβληθεί το μέγεθος των δονήσεων, μια ρύθμιση που δεν θα καταστρέψει την εύθραυστη υπέρθεση.
Σύμφωνα με την ομάδα, για να πραγματοποιηθεί το πείραμα αυτό θα περάσουν μερικά χρόνια – διότι οι αισθητήρες που απαιτούνται για αυτές τις ευαίσθητες μετρήσεις πρέπει να μην επηρεάζονται από παρεμβολές θορύβου. Αν το πείραμα τελικά έχει επιτυχία, θα αποτελέσει ένα βήμα προς την κατεύθυνση των κβαντικών υπολογιστών.
Οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι σε θέση να κάνουν πολλούς περισσότερους υπολογισμούς ταυτόχρονα, σε σχέση με τους συμβατικούς υπολογιστές. Η απόδοσή τους οφείλεται στην ικανότητα των κβαντικών συστημάτων να βρίσκονται σε περισσότερες από μια καταστάσεις ταυτόχρονα. Ένας τέτοιος υπολογιστής πρέπει να μπορεί να διαβάζει και να αλλάζει την κατάσταση των κβαντικών συστημάτων – μιας διαδικασίας που είναι και ο στόχος του νέου πειράματος
newscientist.com – arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1103/1103.4332v1.pdf

Ετικέτα: