Το κβαντικό πείραμα κοτόπουλου ή αυγού θολώνει τη διάκριση μεταξύ πριν και μετά

Στον καθημερινό κόσμο, τα γεγονότα συμβαίνουν με συγκεκριμένη σειρά—το ξυπνητήρι σας χτυπά πριν ξυπνήσετε ή το αντίστροφο. Ωστόσο, ένα νέο πείραμα δείχνει ότι όταν ασχολούμαστε με ένα φωτόνιο, μπορεί να είναι αδύνατο να πούμε με ποια σειρά συμβαίνουν δύο γεγονότα, εξαλείφοντας την κοινή λογική μας για το πριν και το μετά και, ενδεχομένως, θολώνοντας την έννοια της αιτιότητας. Γνωστό ως κβαντικός διακόπτης, η εγκατάσταση θα μπορούσε να προσφέρει ένα χρήσιμο νέο εργαλείο στις εκκολαπτόμενες κβαντικές τεχνολογίες πληροφοριών.

Η κβαντομηχανική ήδη τορπιλίζει την αντίληψή μας ότι ένα αντικείμενο μπορεί να βρίσκεται μόνο σε ένα μέρος τη φορά. Χάρη στο παράξενο της κβαντικής μηχανικής, ένα μικροσκοπικό σωματίδιο όπως ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε πολλά σημεία ταυτόχρονα. Ο κβαντικός διακόπτης επιτυγχάνει κάτι παρόμοιο για δύο συμβάντα, το Α και το Β, δείχνοντας ότι το Α μπορεί να συμβεί πριν από το Β και Το B μπορεί να συμβεί πριν από το A.

"Είμαι πολύ ενθουσιασμένος που βλέπω ανθρώπους να πραγματοποιούν την ιδέα μας με ένα πραγματικό πείραμα", λέει ο Giulio Chiribella του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο, ένας από τους θεωρητικούς που το 2009 πρότειναν για πρώτη φορά την ιδέα.

Για να αποδείξει το αποτέλεσμα, ο Andrew White, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ στο Μπρίσμπεϊν της Αυστραλίας, και οι συνεργάτες του πυροβόλησαν φωτόνια μέσω μιας συσκευής που ονομάζεται συμβολόμετρο στην οποία δύο μονοπάτια αποκλίνουν και ενώνονται ξανά. Ένα φωτόνιο είναι ταυτόχρονα ένα σωματίδιο και ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που μπορεί να πολωθεί για να στραγγίσει οριζόντια ή κάθετα. Οι ερευνητές έθεσαν την εξέδρα τους έτσι ώστε εάν το φωτόνιο είναι κατακόρυφα πολωμένο, θα πάρει πρώτα το αριστερό μονοπάτι της εξέδρας και στη συνέχεια, γυρίζοντας πίσω και μπαίνοντας στη συσκευή μέσω μιας διαφορετικής «λιμένας», θα πάρει τη σωστή διαδρομή. Εάν το φωτόνιο είναι οριζόντια πολωμένο, θα πάρει τη σωστή διαδρομή και μετά την αριστερή.

Αλλά η κβαντομηχανική επιτρέπει στο φωτόνιο να πολώνεται και με τους δύο τρόπους ταυτόχρονα, καθιστώντας το διαγώνια πολωμένο. Όταν ένα διαγώνια πολωμένο φωτόνιο εισέρχεται στη συσκευή, το κβαντικό κύμα που το περιγράφει χωρίζεται σε κατακόρυφα πολωμένα και οριζόντια πολωμένα μέρη και το φωτόνιο παίρνει και τις δύο διαδρομές ταυτόχρονα πριν τα κύματα συγχωνευθούν ξανά στην έξοδο της συσκευής. Όταν το φωτόνιο επαναλαμβάνει το ταξίδι, παίρνει πάλι και τις δύο διαδρομές, αν και οποιοδήποτε μέρος του κβαντικού κύματος του φωτονίου ακολουθεί κάθε διαδρομή μόνο μία φορά. Είναι επομένως αδύνατο να πούμε με ποια σειρά το φωτόνιο έχει πάρει τη διαδρομή.

Το δύσκολο κομμάτι είναι να αποδείξει τι συμβαίνει μέσα στο πείραμα. Οι φυσικοί δεν μπορούν απλώς να εισάγουν ανιχνευτές που θα αποκαλύπτουν πού μπορεί να βρίσκεται το φωτόνιο στον λαβύρινθο. Χάρη και πάλι στην κβαντική παραξενιά, μια τέτοια οριστική μέτρηση θα «κατέρρεε» τη λεπτή κατάσταση δύο μονοπατιών του φωτονίου ταυτόχρονα και θα κατέστρεφε το πείραμα. Αντίθετα, οι φυσικοί πρέπει να βρουν κάποιον πιο ήπιο τρόπο για να αποτυπώσουν στο φωτόνιο κάποιο ίχνος ότι πήγε σε μια συγκεκριμένη διαδρομή.

Για να το κάνουν αυτό, εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι εκτός από μια πόλωση, κάθε παλμός φωτός έχει σχήμα ή χωρική κατανομή. Οι πειραματιστές μπορούν να αλλάξουν απαλά αυτό το σχήμα βάζοντας φακούς και άλλα οπτικά στοιχεία σε κάθε διαδρομή για να αντιμετωπίσουν το φωτόνιο που περνά. Αυτές οι αλλαγές είναι τα πραγματικά «γεγονότα» στο πείραμα και ανάλογα με το ποια από ένα μικρό σύνολο αλλαγών εκτελούν οι φυσικοί σε κάθε διαδρομή, η πόλωση του φωτονίου μπορεί να μετατοπιστεί από τη μία διαγώνια κατεύθυνση στην άλλη, καθώς τα δύο μισά του ανασυνδυασμός κβαντικών κυμάτων. Αυτή η λεπτή σύνδεση είναι το κλειδί για το πείραμα.

Σε πολλές δοκιμές, οι φυσικοί εφαρμόζουν διαφορετικούς συνδυασμούς αλλαγών σχήματος στα δύο μονοπάτια, όπως η επιλογή ανάμεσα σε μια χούφτα ρυθμίσεων για δύο διαφορετικά πόμολα. Εάν κάθε φωτόνιο ακολουθεί σίγουρα πρώτα το ένα ή το άλλο μονοπάτι, οι συσχετισμοί μεταξύ της ρύθμισης του κομβίου και της τελικής πόλωσης του φωτονίου πρέπει να υπακούουν σε ορισμένα όρια. Ωστόσο, αν και οι δύο ακολουθήσουν πρώτα και τα δύο μονοπάτια, οι συσχετισμοί θα υπερβούν αυτά τα όρια, κάτι που ακριβώς παρατηρούν οι φυσικοί σε μια δημοσίευση που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters .

Ως έχει, οι πειραματιστές επέλεξαν τις πράξεις στα δύο μονοπάτια ανεξάρτητα. Ωστόσο, κατ' αρχήν το πείραμα δείχνει ότι η κβαντομηχανική επιτρέπει την πιθανότητα οι δύο διεργασίες να ενεργοποιούν η μία την άλλη, λέει ο Cyril Branciard, φυσικός στο Ινστιτούτο NÉEL στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας, ο οποίος εργάστηκε στο πείραμα. "Κάποιος μπορεί να έχει καταστάσεις όπου κάποιο γεγονός Α προκαλεί ένα άλλο συμβάν Β, ενώ ταυτόχρονα το Β προκαλεί το Α."

Το 2015, φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης πραγματοποίησαν ένα παρόμοιο πείραμα. Ωστόσο, το νέο πείραμα ξεπερνά τους τεχνικούς περιορισμούς στο πρώτο πείραμα και μπορεί να είναι ευκολότερο να επεκταθεί για πρακτικές εφαρμογές, λέει ο Caslav Brukner, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, ο οποίος εργάστηκε στο προηγούμενο πείραμα.

Ο κβαντικός διακόπτης θα μπορούσε να έχει εφαρμογές σε εκκολαπτόμενες τεχνολογίες που, για παράδειγμα, χειρίζονται και μεταδίδουν πληροφορίες που κωδικοποιούνται στις κβαντικές καταστάσεις μεμονωμένων φωτονίων και άλλων κβαντικών σωματιδίων. Τέτοιες συσκευές πρέπει να περνούν σωματίδια μέσω κβαντικών καναλιών, όπως οι οπτικές ίνες, που υποφέρουν πάντα από θόρυβο. Αλλά ακόμα κι αν δύο τέτοια κανάλια είναι πολύ θορυβώδη για να μεταδώσουν κβαντικές πληροφορίες, θα μπορούσαν κατ' αρχήν να διαμορφωθούν σε κβαντικό διακόπτη για να επιτρέψουν τη ροή των πληροφοριών, λέει η Jacquiline Romero, μια κβαντική φυσική και μέλος της ομάδας του Queensland. «Εισάγεις αόριστη τάξη και ξαφνικά μπορείς να επικοινωνήσεις», λέει. "Αυτό είναι πολύ ωραίο!"

*Διόρθωση, 20 Αυγούστου, 10 π.μ.: Αυτό το άρθρο έχει ενημερωθεί για να διορθώσει το όνομα και τη σχέση της Jacquiline Romero.