Εξέτασαν την κβαντική διαπλοκή ενώ όλοι ανασήκωσαν τους ώμους τους
Ανάμεσα στις παραξενιές που επιλέγει η γυναίκα μου να βρει διασκεδαστική, έχω τη συνήθεια να ξυπνάω πολύ νωρίς κάθε χρόνο την πρώτη Τρίτη του Οκτωβρίου. Είναι η στιγμή που η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών ανακοινώνει τους νέους αποδέκτες του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής. Επαναλαμβάνω αυτό το τελετουργικό κάθε χρόνο για περίπου δώδεκα χρόνια, περιμένοντας —ελπίζοντας— να ακούσω μια συγκεκριμένη ανακοίνωση. Φέτος επιτέλους έφτασε.
Οι νικητές του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής για το 2022, Alain Aspect, John Clauser και Anton Zeilinger, υπήρξαν πρωτοπόροι στη μελέτη της κβαντικής εμπλοκής, ενός από τα πιο συναρπαστικά χαρακτηριστικά της κβαντικής θεωρίας. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν και οι συνεργάτες του βοήθησαν να προσδιοριστεί η έννοια στη δεκαετία του 1930, μόνο για να απορρίψουν την ιδέα ως πολύ περίεργη για να είναι αληθινή. Τριάντα χρόνια αργότερα, ο φυσικός John Bell εισήγαγε έναν έξυπνο τρόπο για να σχεδιάσει ένα πειραματικό τεστ που θα μπορούσε να επιβεβαιώσει ή να αποκλείσει μια τέτοια παράξενη συμπεριφορά.
Η κβαντική θεωρία προβλέπει ότι εάν δύο ή περισσότερα σωματίδια προετοιμαστούν με συγκεκριμένο τρόπο, η συμπεριφορά τους θα πρέπει να παραμείνει συσχετισμένη, ακόμη και αφού έχουν απομακρυνθεί πολύ. Εκτελέστε μια μέτρηση κάποιας ιδιότητας του σωματιδίου Α και —wham! — το σωματίδιο Β θα πρέπει να εμφανίζει συγκεκριμένη συμπεριφορά, ακόμη και αν απέχουν έτη φωτός μεταξύ τους. Ακόμα πιο περίεργο, οι ιδιότητες των σωματιδίων θα πρέπει να ευθυγραμμίζονται ακόμα και όταν οι φυσικοί μετρούν διαφορετικές ιδιότητες κάθε σωματιδίου, επιλέγοντας τις μετρήσεις που θα εκτελεστούν σε κάθε μέλος του ζεύγους τυχαία.
Τα πειράματα που είχε στο μυαλό του ο Μπελ ήταν έξυπνα και φαίνονταν επίσης εφικτά. Δεν χρειάζεται να κατασκευαστεί ένας τεράστιος επιταχυντής σωματιδίων ή να εκτοξευθεί ένας τεράστιος νέος δορυφόρος. Και όμως πέρασαν χρόνια προτού άλλοι φυσικοί αναφέρουν ακόμη και το άρθρο του Bell, πόσο μάλλον να σηκώσουν τα μανίκια τους για να το δώσουν.
Ένας από τους πρώτους που προσέγγισαν τον Μπελ ήταν ένας νεαρός Τζον Κλάουζερ. Ο Clauser είχε πέσει πάνω στο άρθρο του Bell καθώς περιηγείτο σε περιοδικά στη βιβλιοθήκη ως μεταπτυχιακός φοιτητής. Συγκινημένος με όσα διάβασε, έσπευσε στο διδακτορικό του. επόπτη για να τους προτείνει να διεξάγουν το είδος του πειράματος που είχε προτείνει ο Μπελ. Στην απογοήτευση του Clauser, ο σύμβουλός του απάντησε με (αναμφίβολα καλοπροαίρετη) συμβουλή:Παραμείνετε με πιο mainstream θέματα για τη διατριβή, μην κυνηγάτε τέτοια «φιλοσοφικά» θέματα όπως η διαπλοκή.
Ωστόσο, η ιδέα του Μπελ κόλλησε και λίγα χρόνια αργότερα, καθώς ο Κλάουζερ προετοιμαζόταν για τη μεταδιδακτορική του θέση στο Εθνικό Εργαστήριο Λόρενς Μπέρκλεϋ, έγραψε στον Μπελ για να ρωτήσει αν άλλοι φυσικοί είχαν κάνει τέτοιες δοκιμές στο ενδιάμεσο. Όπως θυμήθηκε αργότερα ο Bell, η επιστολή του Clauser ήταν η πρώτη φορά που κάποιος πειραματικός φυσικός είχε εκδηλώσει ενδιαφέρον για το έργο του Bell. Ο Μπελ απάντησε γρήγορα:Εάν ο Κλάουζερ κατάφερνε να μετρήσει συμπεριφορά διαφορετική από τις κβαντικές προβλέψεις - και επομένως περισσότερο σύμφωνη με τις προσδοκίες του Αϊνστάιν - αυτό θα «ταρακούνησε τον κόσμο!»
Με την ενθάρρυνση του Bell, μαζί με την κριτική συμβολή από μερικούς ομοϊδεάτες συναδέλφους, ο Clauser και ο Stuart Freedman (πτυχιούχος φοιτητής εκείνη την εποχή) ξεκίνησαν να διεξάγουν το πρώτο τεστ Bell. Αφού έψαξαν για ανταλλακτικά γύρω από το εργαστήριο, κατάφεραν να συλλέξουν δεδομένα για χιλιάδες ζεύγη σωματιδίων, βρίσκοντας ακριβώς τη συσχετισμένη συμπεριφορά που προβλέπει η κβαντική θεωρία. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους σε ένα εμβληματικό περιοδικό το 1972, και μετά… τίποτα. Το επόμενο έτος, οι παραπομπές στο έργο του Bell, που προηγουμένως ήταν λίγο, μειώθηκαν περισσότερο από το μισό. Ορισμένοι ακαδημαϊκοί ηγέτες αμφισβήτησαν αν οι έρευνες για τη διαπλοκή θεωρούνταν «πραγματική φυσική».
Ένας ωκεανός μακριά, λίγο έξω από το Παρίσι, ο Alain Aspect είχε επίσης αιχμαλωτιστεί από τη διαπλοκή. Όπως και ο Clauser, φιλοδοξούσε να πραγματοποιήσει μια δοκιμή Bell σε ένα εργαστήριο. Η βασική του φιλοδοξία ήταν να πραγματοποιήσει ένα πείραμα που θα μπορούσε να καλύψει τη στιγμιαία εμπλοκή. Έκανε ένα προσκύνημα στο CERN στη Γενεύη, όπου εργαζόταν ο Μπελ, για να ρωτήσει τον ίδιο τον Μπελ αν ένα τέτοιο πείραμα θα άξιζε τον κόπο. Η πρώτη ερώτηση του Bell:"Έχετε μόνιμη θέση;" Το θέμα εξακολουθεί να διαμορφώνεται στο περιθώριο.
Όπως και ο Clauser, έτσι και ο Aspect πάτησε. Σε ένα βιρτουόζο πείραμα με συναδέλφους του το 1982, ο Aspect χρησιμοποίησε εξαιρετικά γρήγορους διακόπτες που μπορούσαν να αλλάξουν τη διαδρομή κάθε σωματιδίου καθ' οδόν προς τις συσκευές μέτρησης. Οι διακόπτες άλλαζαν μπρος-πίσω 100 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο. Ο ανιχνευτής προς τον οποίο θα κατευθυνόταν ένα δεδομένο σωματίδιο προσδιορίστηκε ενώ αυτό το σωματίδιο βρισκόταν σε πτήση. Επιπλέον, οι δύο σταθμοί μέτρησης απείχαν αρκετά μεταξύ τους, ώστε οι πληροφορίες από τη μία πλευρά του πειράματος του Aspect δεν μπορούσαν να κοινοποιηθούν στην άλλη πλευρά πριν ολοκληρωθούν οι μετρήσεις και στα δύο σωματίδια. Ο Aspect και οι συνεργάτες του έστειλαν σχεδόν ένα τρισεκατομμύριο ζεύγη σωματιδίων μέσω της συσκευής και, επίσης, βρήκαν τις τρομακτικές συσχετίσεις ακριβώς όπως προέβλεπε η κβαντική θεωρία.
Στην αρχή, το όμορφο πείραμα του Aspect, όπως αυτό του Clauser μια δεκαετία νωρίτερα, αντιμετωπίστηκε με συλλογικό σήκωμα των ώμων. Για τα επόμενα αρκετά χρόνια εστίασε σε άλλους τομείς της φυσικής, απογοητευμένος από την αδιαφορία πολλών συναδέλφων για θέματα όπως η διαπλοκή.
Ο τρίτος αποδέκτης του φετινού βραβείου, ο Anton Zeilinger, έδειξε την ίδια επιμονή, ευρηματικότητα και επιμονή. Με αρκετούς συναδέλφους επέκτεινε το έργο του Μπελ στην περίπτωση τριών ή περισσότερων μπερδεμένων σωματιδίων. Στη δεκαετία του 1990, αυτός και η ομάδα του πέτυχαν για πρώτη φορά να τηλεμεταφέρουν μια μπλεγμένη κατάσταση, μεταφέροντας την ειδική συσχετισμένη συμπεριφορά σε ένα τρίτο σωματίδιο. Αμέσως μετά, η ομάδα του μέτρησε τις ενδεικτικές συσχετίσεις μεταξύ των σωματιδίων ακόμη και αφού είχαν πετάξει σε απόσταση 100 μιλίων.
Ο Zeilinger, επίσης, πίεσε ακόμα και όταν πολλοί συνάδελφοι θεωρούσαν ότι η διαπλοκή ήταν παράπλευρη εμφάνιση. Στην πραγματικότητα, για δεκαετίες εργάστηκε ακούραστα για να υποστηρίξει τις δοκιμές Bell, πραγματοποιώντας πολλά πρωτοποριακά πειράματα για να αντιμετωπίσει διάφορα «παραθυράκια» - τραβηγμένα αλλά λογικά συνεπή σενάρια με τα οποία ένα σενάριο παρόμοιο με τον Αϊνστάιν θα μπορούσε να εξηγήσει όλες αυτές τις συσχετισμένες μετρήσεις σε ζεύγη των σωματιδίων.
Οι φίλοι μου Andy Friedman, Jason Gallicchio, Alan Guth και εγώ είχαμε την μεγάλη τύχη να συνεργαστούμε με τον Zeilinger και την ομάδα του σε μερικά από τα πιο πρόσφατα πειράματά του. Στις δοκιμές μας "Cosmic Bell", μετατρέψαμε το ίδιο το σύμπαν σε ένα ζεύγος γεννητριών τυχαίων αριθμών, καθορίζοντας ποιες μετρήσεις θα πραγματοποιηθούν στα σωματίδια που βρίσκονται στη Γη με βάση τις μετρήσεις σε κλάσματα δευτερολέπτου του φωτός από μακρινούς γαλαξίες. Στόχος μας ήταν να διασφαλίσουμε ότι τα μοτίβα στη συμπεριφορά των σωματιδίων της Γης δεν θα μπορούσαν να ανιχνευθούν σε πληροφορίες, που ελήφθησαν εκ των προτέρων, σχετικά με το ποιες συγκεκριμένες μετρήσεις θα πραγματοποιούνταν σε κάθε σωματίδιο.
Πριν από πειράματα όπως το δικό μας, παρέμενε ανοιχτή η πιθανότητα ότι τα αποτελέσματα των συσχετισμένων μετρήσεων μπορεί να οφείλονταν σε προηγούμενη συσχέτιση μεταξύ της παραγωγής μπλεγμένων σωματιδίων και των επιλογών των μετρήσεων που έπρεπε να πραγματοποιηθούν σε καθένα. Αυτό θα ήταν σαν μια μαθήτρια να είχε λάβει ένα αντίγραφο ενός ποπ κουίζ το βράδυ πριν από τη διανομή του στην τάξη:Θα ήξερε εκ των προτέρων ποιες συγκεκριμένες ερωτήσεις θα τέθηκαν και με ποια σειρά.
Έτσι, ο Zeilinger και η ομάδα μας εκμεταλλεύτηκαν τις τεράστιες αποστάσεις από τους μακρινούς γαλαξίες για να διαχωρίσουν την παραγωγή μπλεγμένων σωματιδίων στη Γη από τα γεγονότα που θα αποφάσιζαν ποιες μετρήσεις θα πραγματοποιούνταν σε αυτούς. Στο τέλος —χάρη στην ικανότητα του Anton ως διαπραγματευτή καθώς και ως φυσικός— μπορέσαμε να εξασφαλίσουμε πολύτιμο χρόνο με τηλεσκόπιο στο όμορφο παρατηρητήριο στην κορυφή του βουνού στο νησί Λα Πάλμα, στα Κανάρια Νησιά. Χρησιμοποιώντας το φως από κβάζαρ υψηλής μετατόπισης ερυθρού, καταφέραμε να περιορίσουμε οποιονδήποτε τέτοιο μηχανισμό εκ των προτέρων pop-quiz να έπρεπε να έχει συμβεί όχι πιο πρόσφατα από 8 δισεκατομμύρια χρόνια πριν – αιώνες πριν υπάρξει ένας πλανήτης Γη, πόσο μάλλον ένας Άλμπερτ Αϊνστάιν να αναλογιστείτε τη διαπλοκή.
Είναι αξιοσημείωτο ότι τα επιτεύγματα των Clauser, Aspect και Zeilinger εκτείνονται πλέον πολύ πέρα από τα εσωτερικά ερωτήματα σχετικά με το πώς λειτουργεί ο κόσμος. Σε όλο τον κόσμο σήμερα, οι ερευνητικές δαπάνες στον τομέα της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας ξεπερνούν το 1 δισεκατομμύριο δολάρια ετησίως, καλύπτοντας ακαδημαϊκά εργαστήρια, κρατικές εγκαταστάσεις και βιομηχανικές προσπάθειες. Τεχνολογίες επόμενης γενιάς, όπως η κβαντική κρυπτογράφηση και ο κβαντικός υπολογισμός, δημιουργούνται τώρα μετατρέποντας τη διαπλοκή σε πόρο και όχι απλώς σε περιέργεια.
Ο Μαξ Πλανκ, ο οποίος βοήθησε στη δημιουργία της κβαντικής θεωρίας πριν από έναν αιώνα, είπε περίφημα ότι οι νέες επιστημονικές ιδέες δεν θριαμβεύουν πείθοντας τους σκεπτικιστές. Μάλλον, υποστήριξε ο Planck, οι κριτικοί τελικά πεθαίνουν και μια νέα γενιά μεγαλώνει για την οποία οι κάποτε περίεργες έννοιες φαίνονται γνωστές. Ευτυχώς ο Alain Aspect, ο John Clauser και ο Anton Zeilinger δεν χρειάστηκε να περιμένουν τόσο πολύ. Ωστόσο, η ειδική αναγνώρισή τους αυτή την εβδομάδα σηματοδοτεί το τέλος ενός ταξιδιού μισού αιώνα. Οδηγημένοι από περιέργεια και επιδεξιότητα —σε συνδυασμό με λίγο πείσμα— έσκαψαν, έκαναν ό,τι μπορούσαν και δεν έχασαν ποτέ από τα μάτια τους τη μεγάλη θέα. 
Ο David Kaiser είναι καθηγητής Germeshausen στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, όπου διδάσκει φυσική και ιστορία της επιστήμης. Έγραψε για την ιστορία της κβαντικής εμπλοκής και τα τεστ Bell στο βιβλίο του Πώς οι Χίπις έσωσαν τη Φυσική:Επιστήμη, Αντικουλτούρα και Κβαντική Αναβίωση. Το τελευταίο του βιβλίο είναι "Λοιπόν, γιατρέ, είσαι μέσα":Freeman Dyson's Journey Through the Universe.
Κύρια τέχνη:Από αριστερά, Alain Aspect, John F. Clauser και Anton Zeilinger. Ευγενική προσφορά του nobelprize.org
