Τι συζητήθηκε στην 22η Διάσκεψη των Ινστιτούτων Solvay στους Δελφούς

Από το δίκτυο Δεκέμβριος 2001

Η φυσική της επικοινωνίας και οι προοπτικές ανάπτυξης των μεθόδων της επικοινωνίας καθώς και μέθοδοι κωδικοποίησης της που θα βασίζονται σε κβαντικά φαινόμενα ήταν το αντικείμενο της 22ης Διάσκεψης των Ινστιτούτων Solvay.

Η Διάσκεψη συνήλθε στους Δελφούς και τη Λαμία από τις 24 έως τις 30 Νοεμβρίου 2001, υπό την αιγίδα του υπουργείου Πολιτισμού.

Στο συνέδριο συναντήθηκαν επιστήμονες παγκοσμίου κύρους, τόσο θεωρητικοί όσο και πειραματικοί, που ερευνούν προβλήματα κβαντικής επικοινωνίας. Ο κβαντικός τρόπος μετάδοσης της πληροφορίας παρουσίασε εκρηκτική ανάπτυξη κατά την τελευταία δεκαετία ενώ οι προσπάθειες να αναπτυχθεί hardware για κβαντικούς υπολογισμούς, οδήγησαν σε μια αναγέννηση της θεμελιακής έρευνας στην κβαντική φυσική. Αυτό που βιώνουμε σήμερα, μπορεί να ονομαστεί το ''δεύτερο κύμα'' της κβαντικής μηχανικής. Το ''πρώτο κύμα'' ήταν η θεμελίωση της κβαντικής μηχανικής που έλαβε χώρα στα πρώτα Συνέδρια Solvay του 20ου αιώνα.

Ο καθηγητής του τμήματος μαθηματικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και διευθυντής ερευνών των ινστιτούτων Solvay Γιάννης Αντωνίου, λέει ότι βρισκόμαστε σ' ένα ενδιάμεσο στάδιο, μεταξύ της παλιάς τεχνολογίας του πυριτίου και μιας ριζοσπαστικά νέας φιλοσοφίας των υπολογιστών, που όμως δεν έχει ακόμα υλοποιηθεί. Ετσι, ενώ συνεχίζουμε να χρησιμοποιούμε τη σημερινή τεχνολογική μας υποδομή, με τα συμβατικά chip του πυριτίου, αναπτύσσουμε νέες μεθόδους προγραμματισμού που αφορούν τους νευρο-υπολογιστές, (επεξεργασία της πληροφορίας σε διάφορα διαδοχικά επίπεδα επεξεργαστών, τους τεχνητούς νευρώνες, κατ' απομίμηση του ανθρώπινου εγκεφάλου), τους γενετικούς υπολογισμούς και την αναδυόμενη συλλογική νοημοσύνη. Ολες αυτές οι μέθοδοι υπολογισμού-προγραμματισμού λειτουργούν βασιζόμενες στην κλασική δυαδική λογική του 0 και 1.

Η τεχνολογία, όμως, του πυριτίου ήδη αγγίζει τα όριά της. Εάν απαιτήσουμε να αυξηθεί η πυκνότητα των στοιχείων ημιαγωγών, τα οποία συνθέτουν ένα μικροκύκλωμα, προσκρούουμε σε έναν απαγορευτικό τοίχο ( υπερθέρμανση, αλληλεπιδράσεις γραμμών, ισχυρές παραμορφώσεις στην επεξεργασία). Κατά συνέπεια, η μοναδική διέξοδος στην κατασκευή νέων κυκλωμάτων για υπολογιστές οδηγεί από τη μικροκλίμακα (εκατομμυριοστό του μέτρου) στη νανοκλίμακα (δισεκατομμυριοστό του μέτρου) και αντίστοιχα στη λεγόμενη νανοτεχνολογία.

Τόσο στη μικροτεχνολογία, όσο και στη νανοτεχνολόγια, οι υπολογισμοί των ενεργειακών ζωνών των ημιαγωγών και των ηλεκτρονιακών φαινομένων σ' αυτούς, γίνονται βάσει της κβαντικής θεωρίας, η δε επεξεργασία της πληροφορίας γίνεται με κλασικό τρόπο.

Αυτός όμως ο επίπονος αγώνας δρόμου προς την υπερμικροποίηση, οδηγείται -κατά τον κ. Αντωνίου- με μαθηματική βεβαιότητα στη διαπίστωση ότι το 2020, δηλαδή σε λιγότερο από 20 χρόνια, για κάθε bit επεξεργασίας προβλέπεται αντίστοιχα η χρήση ενός ατόμου. Αυτή ακριβώς η διαπίστωση μας πείθει ότι εισερχόμαστε σιγά-σιγά στην κβαντική επεξεργασία της πληροφορίας.

Μερικοί κύριοι τομείς παρουσιάσεων και συζητήσεων μεταξύ των συνέδρων, ήταν οι εξής:

Το πρόβλημα της κβαντικής αποσυμφωνία και η μη αναστρεψιμότητα.

Ενα από τα πιο θεμελιακά ερωτήματα στη Φυσική είναι πώς αναδεικνύεται το βέλος του χρόνου, παρά το γεγονός ότι οι νόμοι της μικροσκοπικής δυναμικής είναι χρονικά αναστρέψιμοι. Αυτό είναι ένα από τα κύρια ενδιαφέροντα του καθηγητή Prigogine ο οποίος διευθύνει και τα Ινστιτούτα Solvay.

Οι ομάδες των Βρυξελλών και του Τέξας που διευθύνει θεωρούν ότι έχουν επιλύσει το ερώτημα ως μια εγγενή ιδιότητα μη ολοκληρώσιμων είτε χαοτικών συστημάτων. Το βέλος του χρόνου γι αυτούς προκύπτει μέσω αναλυτικής συνέχειας των εξισώσεων, που γίνεται μαθηματικά με διάφορους τρόπους, όπως η μέθοδος του καθηγητή Sudarshan και του καθηγητή Bohm. Ο Δρ. Ordonez παρουσίασε υπολογισμούς σε ασταθή σωμάτια, που καταδεικνύουν τη μη τοπική φύση των κβαντικών διεργασιών στο θεμελιακό επίπεδο.

Ο Δρ. Petrosky γενίκευσε τη στατιστική περιγραφή της δυναμικής και εφάρμοσε τη γενίκευσή του σε κυματοδηγούς ηλεκτρονίων, όπου εκτίμησε την κβαντική αποσυμφωνία και απόσβεση για θερμοδυναμικά συστήματα.

Ο καθηγητής Sudarshan παρουσίασε αποτελέσματα που δείχνουν τις εγγενείς σχέσεις μεταξύ αποσυμφωνίας, διεμπλοκής και καθαρότητας της κβαντικής κατάστασης καθώς και τη σχέση όλων αυτών με την μη αναστρεψιμότητα. Κατά τη διάρκεια της ομιλίας του καθώς και σε διάφορες συζητήσεις, τόνισε το γεγονός ότι οι κβαντικές μεταβάσεις είναι οι θεμελιώδεις λειτουργικές μονάδες της κβαντικής επικοινωνίας και των κβαντικών υπολογισμών. Το θεμελιακό επίπεδο της φυσικής επικοινωνίας βρίσκεται στο κβαντικό επίπεδο περιγραφής της ύλης που αποτελεί τη βάση των κβαντικών επικοινωνιών και των συναφών νέων πρωτοκόλλων επικοινωνίας.

Ο καθηγητής Misra παρουσίασε μαζί με τον καθηγητή Αντωνίου και τον καθηγητή Pascazio διάφορες ιδιότητες του φαινομένου Ζήνωνα στην κβαντομηχανική. Οπως παρατήρησε ο Ζήνων σε ένα από τα τέσσερα παράδοξά του, όσο συχνότερα παρατηρεί κανείς ένα κινούμενο αντικείμενο, τόσο αργότερα φαίνεται να κινείται. Στα ασταθή συστήματα, αυξάνοντας τη συχνότητα των παρατηρήσεων, διαπιστώνουμε ότι αυξάνει ο χρόνος ζωής και τελικώς το σύστημα δεν διασπάται. Τα πειράματα που παρουσίασε ο καθηγητής Raizen, κατέδειξαν ότι το φαινόμενο του Ζήνωνα στην κβαντομηχανική αποτελεί πραγματικότητα που μπορεί να μας επιτρέψει τον έλεγχο της κβαντικής αποσυμφωνίας, γεγονός που αναμένεται ότι μπορεί να βελτιώσει αισθητά την απόδοση των κβαντικών υπολογιστών.

Μη τοπικότητα και υπέρβαση της ταχύτητας του φωτός.

Παρουσιάστηκαν πειραματικά αποτελέσματα που καταδεικνύουν τη διάδοση ηλεκτρομαγνητικών παλμών με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός, σε διάφορα μέσα.

Ο καθηγητής Chiao παρουσίασε τα πειράματα της ομάδας του Berkeley που κατέδειξαν διάδοση φωτονίων μέσω ενός φράγματος δυναμικού κατά το φαινόμενο σήραγγας. Οι συνέπειες αυτού του πειράματος είναι ότι τα κβαντικά φαινόμενα σήραγγας υποδηλώνουν ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός. Εκτιμήθηκαν επίσης οι χαρακτηριστικοί χρόνοι του φαινομένου.

Ο Δρ. Wang παρουσίασε τα πειράματα της ομάδας του Princeton, όπου κατέδειξε διάδοση παλμών laser με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός σε δοχείο ατμών καισίου. Η κορυφή του παλμού laser διαπιστώθηκε ότι εξερχόταν από το δοχείο, πριν καν εισέλθει στο δοχείο η κορυφή του επερχόμενου παλμού.

Ο καθηγητής Chiao παρουσίασε επίσης ανάλογα πειράματα με παλμούς ηλεκτρικού ρεύματος σε ειδικά σχεδιασμένα κυκλώματα. Παρατηρήθηκε ότι η κορυφή του παλμού δυναμικού έβγαινε από την έξοδο του κυκλώματος πριν εισέλθει η κορυφή του παλμού δυναμικού από την είσοδο του κυκλώματος.

Ο Nimtz παρουσίασε πειράματα μικροκυμάτων, ανάλογα των πειραμάτων κβαντικής σήραγγας, τα οποία έδειξαν ότι οι παλμοί μικροκυμάτων διαδίδονται περίπου οκτώ φορές ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Συζητήθηκαν επίσης δυνατές συσκευές που μπορούν να κατασκευαστούν με βάση τα παραπάνω.

Ο Δρ. Wang παρουσίασε ακόμη θεωρητικά αποτελέσματα που οδηγούν σε ένα νέο ορισμό της ταχύτητας σήματος βάσει κάποιας φυσικά αποδεκτής οριακής τιμής του λόγου σήματος προς θόρυβο. Αριθμητικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι η ταχύτητα αυτού του σήματος δεν υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός.

Ο καθηγητής Chiao παρουσίασε επίσης θεωρητικούς υπολογισμούς που δείχνουν ότι τα άτομα μπορούν να μεταφερθούν με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός εντός ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein.

Οι Chiao, Wang και Nimtz συμφώνησαν ότι η ομαδική ταχύτητα στα παραπάνω φαινόμενα υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός στο κενό. Διαφώνησαν όμως στο κατά πόσο μπορεί να μεταφερθεί πληροφορία με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός. Ο Chiao πιστεύει ότι τα σήματα επικοινωνίας αφορούν την ταχύτητα μετώπου κύματος του Sommerfeld, συνεπώς δεν παραβιάζεται η σχετικιστική αιτιότητα.

Ο Nimtz όμως θεωρεί ότι η ομαδική ταχύτητα του κυματοπακέτου μεταφέρει πληροφορία. Συνεπώς έχουμε μεταβίβαση πληροφορίας με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός. Ο Wang πιστεύει ότι ο λόγος σήματος προς θόρυβο περιορίζει την ταχύτητα επικοινωνίας σε τιμές μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός. Από την παραπάνω συζήτηση προέκυψε ότι η έννοια του σήματος που μεταφέρει πληροφορία παραμένει ένα αμφιλεγόμενο ανοικτό ερώτημα.

Κβαντική πληροφορία και επικοινωνία.

Συζητήθηκαν αποτελέσματα κβαντικής τηλεμεταφοράς, κβαντικών υπολογισμών και κβαντικής κρυπτογραφίας. Η εκπληκτική πρόοδος που επετεύχθη στα πειράματα κβαντικής επεξεργασίας της πληροφορίας με ένα άτομο και ένα φωτόνιο, παρουσιάστηκε από τους καθηγητές Kimble, Raimond και Walther. Νέες δυνατότητες κβαντικής επικοινωνίας μέσω μακροσκοπικών συλλογών ατόμων παρουσιάστηκαν από τους καθηγητές Cirac, Lukin, Polzik και Zoller. Νέες θεωρητικές ιδέες με μεγάλες δυνατότητες αξιοποίησης της κβαντικής διεμπλοκής προτάθηκαν από τους καθηγητές Ekert, Karlsson και Lloyd.

Η κοινή αίσθηση των συμμετεχόντων επιστημόνων μετά τη Διάσκεψη είναι ότι το πεδίο της κβαντικής πληροφορίας και επικοινωνίας θα φέρει νέες ακόμα πιο επαναστατικές ιδέες και εφαρμογές που δεν μπορούμε ακόμα ίσως να διανοηθούμε ούτε με τη φαντασία μας.