Φυσικοί πραγματοποίησαν κβαντική εμπλοκή μεταξύ απόμακρων ατόμων

Πηγή: Caltech, Ιανουάριος 2006

Οι φυσικοί έχουν κατορθώσει να προκαλέσουν το φαινόμενο της εμπλοκής μεταξύ δύο ομάδων ατόμων μέσα σε ένα δωμάτιο. Ήταν μια σημαντική πρόοδος σχετική με τα θεμέλια της κβαντομηχανικής καθώς και με την κβαντική επιστήμη των πληροφοριών, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας να έχουμε στο μέλλον εξελικτικά κβαντικά δίκτυα (δηλ., ένα κβαντικό διαδίκτυο).

Ο φυσικός του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας Jeff Kimble και οι συνάδελφοί του πραγματοποίησαν για πρώτη φορά εμπλοκή σε μια "διέγερση σπιν", που αποθηκεύθηκε από κοινού μεταξύ δύο δειγμάτων ατόμων. Στο πείραμα του Caltech, τα σύνολα των ατόμων βρίσκονταν σε δύο συσκευές σε μια απόσταση 2,8 μέτρων, με κάθε σύνολο να περιέχει περίπου 100.000 μεμονωμένα άτομα.

Η εμπλοκή που δημιουργήθηκε από τους ερευνητές του Caltech αποτελείτο από μια κβαντική κατάσταση για την οποία, όταν ένα κβαντικό σπιν (δηλ., ένα κβαντικό μπιτ) αναστρεφόταν για τα άτομα στην περιοχή L ενός συνόλου, παρέμεναν αμετάβλητα χωρίς αναστροφή στην περιοχή R του άλλου συνόλου, και το αντίστροφο (ένα σπιν αναστρεφόταν στο R, το σπιν έμενε αμετάβλητο στην L. Ακόμα εντυπωσιακότερο ήταν, λόγω της εμπλοκής, ότι και οι δύο δυνατότητες έγιναν ταυτόχρονα.

Σύμφωνα με τον Kimble, που είναι ο καθηγητής της φυσικής στο Caltech, αυτή η έρευνα επεκτείνει σημαντικά τις εργαστηριακές ικανότητες για την παραγωγή εμπλοκής, με τα μέχρι τώρα πεπλεγμένα "κβαντικά bits" της ύλης, αποθηκευμένων σε αποστάσεις αρκετές χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από ό,τι ήταν μέχρι τώρα δυνατή.

Επιπλέον το πείραμα δείχνει το πρώτο παράδειγμα μιας πεπλεγμένης κατάστασης που μπορεί να αποθηκευτεί σε μια κβαντική μνήμη που μπορεί να μεταφερθεί από τη μνήμη σε ένα άλλο φυσικό σύστημα (σε αυτήν την περίπτωση, από την ύλη στο φως).

Από τις εργασίες του Schrödinger και του Einstein στη δεκαετία του '30, η εμπλοκή έχει παραμείνει μία από τις βαθύτερες πτυχές και τα επίμονα μυστήρια της κβαντικής θεωρίας. Η εμπλοκή οδηγεί σε ισχυρούς συσχετισμούς μεταξύ των διάφορων στοιχείων ενός φυσικού συστήματος, ακόμα κι αν αυτά τα συστατικά είναι πολύ μακριά. Τέτοιοι συσχετισμοί δεν μπορούν να εξηγηθούν από την κλασσική φυσική και έχουν αποτελέσει το αντικείμενο μιας ενεργής πειραματικής έρευνας, για περισσότερο από 40 χρόνια, συμπεριλαμβανομένων και των πρωτοποριακών επιδείξεων που χρησιμοποίησαν πεπλεγμένες καταστάσεις των φωτονίων, που πραγματοποιήθηκαν από τον John Clauser (γιος του καθηγητή της εφαρμοσμένης μηχανικής στο Caltech Francis Clauser).

Πρόσφατα, οι πεπλεγμένες κβαντικές καταστάσεις έχουν αναδειχθεί κρίσιμα στοιχεία για να πετύχουμε τους στόχους στην επιστήμη των πληροφοριών, που ειδάλλως είναι αδύνατον να επιτευχθούν στην κλασσική σφαίρα της συμβατικής επεξεργασίας και της διανομής των πληροφοριών. Μερικοί στόχοι στην κβαντική επιστήμη των πληροφοριών (παραδείγματος χάριν, η εφαρμογή των εξελικτικών κβαντικών δικτύων) απαιτούν οι πεπλεγμένες καταστάσεις να αποθηκεύονται σε ογκώδη σωμάτια, που αρχικά έγιναν σε παγιδευμένα ιόντα, τα οποία απείχαν μερικές μόνο εκατοντάδες μικρόμετρα στα πειράματα στο Εθνικό Ίδρυμα Προτύπων και Τεχνολογίας στο Κολοράντο το 1998.

Στο πείραμα του Caltech, η εμπλοκή περιλαμβάνει "συλλογικές διεγέρσεις ατομικών σπιν". Για να παραγάγει τέτοιες διεγέρσεις, ένα σύνολο ψυχρών ατόμων τοποθετείται αρχικά σε ένα επίπεδο "α" δύο δυνατών βασικών επιπέδων με έναν κατάλληλο παλμό λέιζερ "εγγραφής". Για την ασθενή διέγερση με το λέιζερ εγγραφής, ένα άτομο στο δείγμα μεταφέρεται μερικές φορές στο βασικό επίπεδο "β," και με αυτόν τον τρόπο εκπέμπει ένα φωτόνιο.

Επειδή είναι αδύνατον να βρούμε ποιο άτομο εξέπεμψε το φωτόνιο, η ανίχνευση του πρώτου φωτονίου από ένα άτομο αφορά το σύνολο όλων των ατόμων. Η παρουσία (ένα άτομο μόνο στη κατάσταση β) ή η απουσία (όλα τα άτομα στην κατάσταση α) είναι συμπεριφορά σαν ενός απλού κβαντικού bit. Αν ανιχνευτεί ένα ένα φωτόνιο, είναι αδύνατο σε γενικές γραμμές να καθορίσουμε από ποιο σύνολο του L ή του R  προήρθε, έτσι ώστε και οι δύο πιθανότητες πρέπει να συμπεριληφθούν στην επόμενη περιγραφή της κβαντικής κατάστασης των συνόλων.

Η προκύπτουσα κβαντική κατάσταση είναι μια πεπλεγμένη κατάσταση "1" αν αποθηκευτεί στο σύνολο L και "0" στο σύνολο R, και αντίστροφα. 

Το πείραμα στο Caltech επιβεβαιώνει για πρώτη φορά πειραματικά ότι η εμπλοκή μεταξύ δύο ανεξάρτητων, μακρινών, μεγάλων κβαντικών αντικειμένων μπορεί να δημιουργηθεί με κβαντική συμβολή στην ανίχνευση ενός φωτονίου που εκπέμπεται από ένα από τα δύο αντικείμενα.