Από τη διαμάχη Αϊνστάιν-Μπορ στην κβαντική τηλεμεταφορά

Μια επιγραμματική αποτίμηση της χρονιάς θα θεωρούσε τον πόλεμο στην Ουκρανία ως το σημαντικότερο γεωπολιτικό γεγονός το οποίο, ανεξαρτήτως της εξέλιξής του, θα αναδομήσει την παγκόσμια ισορροπία, και το Νόμπελ Φυσικής ως το σημαντικότερο γεγονός στην επιστήμη.

Το βραβείο δόθηκε φέτος σε τρεις επιστήμονες, τους Άλεν Ασπέ, Τζον Κλάουζερ και Άντον Zάιλινγκερ, για τις έρευνές τους και την παραβίαση της Ανισότητας Μπελ που σημαίνει πως στη μεγάλη διαμάχη των δύο ανδρών που βοήθησε στην εξέλιξη της επιστήμης. Η φυσική επιστήμη δικαιώνει τον Δανό Φυσικό Νιλς Μπορ και την ερμηνεία της Κοπεγχάγης για την κβαντική φυσική και όχι τον Αϊνστάιν.

Το 1925, μετά από πολύ κόπο, διατυπώθηκε η θεωρία της Κβαντικής Μηχανικής, για την οποία ο Αϊνστάιν πίστευε πως ήταν πλήρης θεωρία. Δεν εξηγούσε, δηλαδή, όλα τα φαινόμενα αλλά ένα μέρος της πραγματικότητας. Και άρχισε, έτσι, η επιστημονική διαμάχη μεταξύ Αϊνστάιν και Μπορ, του Δανού φυσικού που ηγήθηκε της ερμηνείας της κβαντικής μηχανικής κατά την σχολή της Κοπεγχάγης, η οποία αφορούσε την έννοια της διεμπλοκής. Μια έννοια με μεγάλη σημασία σε αυτό που πρακτικά αποκαλούμε κβαντική τηλεμεταφορά.

Με πολύ απλά λόγια, αν προετοιμάσουμε δύο σωματίδια σε σχέση διεμπλοκής στη γη και αυτά τα σωματίδια απομακρυνθούν το ένα από το άλλο, τότε οποιαδήποτε μέτρηση του ενός σωματιδίου, μας κάνει γνωστή την αντίστοιχη ιδιότητα του άλλου σωματιδίου. Αυτό ήταν το συμπέρασμα ενός νοητικού πειράματος που πρότειναν το 1936 ο Αϊνστάιν, ο Ποντόλσκι και ο Ρόζεν το οποίο αποκλήθηκε EPR, από τα αρχικά των τριών επιστημόνων, με το οποίο ο Αϊνστάιν ήθελε να αποδείξει ότι δεν ισχύει η κβαντική θεωρία, διότι προβλέπει αλλόκοτα εξω-πραγματικά φαινόμενα, όπως η διεμπλοκή.

Για τον Αϊνστάιν, αν μετρήσουμε μια ιδιότητα του σωματιδίου που βρίσκεται στη γη, ναι μεν επηρεάζουμε το σωματίδιο αυτό αλλά δεν προκαλούμε καμιά διαταραχή στο άλλο, το ταίρι του, που βρίσκεται στον Άρη. Άρα με βάση όσα γνωρίζουμε από την κλασική φυσική δεν μπορούμε να γνωρίζουμε το αντίστοιχο μέγεθος του αρειανού σωματιδίου χωρίς να το μετρήσουμε (η μέτρηση επηρεάζει την συμπεριφορά του).

Ο Μπορ, όμως υποστήριξε πως από την στιγμή που τα σωματίδια ήρθαν σε διεμπλοκή λειτουργούν πλέον ως ενιαίο σύστημα. Δεν ισχύει, δηλαδή, ο περιορισμός του Αϊνστάιν.

Το επιχείρημα του Αϊνστάιν ήταν ότι δεν μπορεί να μεταδοθεί πληροφορία στο δεύτερο σωματίδιο ακαριαία. Η μετάδοση πληροφορίας κατά τον Αϊνστάιν, γίνεται τοπικά. Σε απόσταση, δηλαδή, που το ένα σωματίδιο μπορεί να επηρεάσει το άλλο. Αυτό λέγεται τοπικότητα.

Οι έρευνες όμως δικαίωσαν τον Μπορ. Τα διεμπλεγμένα σωματίδια λειτουργούν ως ενιαίο όλον χωρίς να παραβιάζεται η σχετικότητα του Αϊνστάιν. Αυτή η διαπίστωση είναι πολύ σημαντική, όχι, μόνο, διότι δίνει μια απάντηση στην διαμάχη των δύο επιστημόνων που στο κάτω-κάτω είχε φιλοσοφική βάση (η φύση της πραγματικότητας) αλλά και για πρακτικούς λόγους.

Στην εκπομπή Πρίσμα της Δημοτικής Τηλεόρασης Θεσσαλονίκης ο καθηγητής του Τμήματος Μαθηματικών του ΑΠΘ Ιωάννης Αντωνίου έκανε την εξής σημαντική αποκάλυψη:

«Ο Σάσκιντ απέδειξε το 2016», είπε ο καθηγητής, «ότι εάν δημιουργήσω διεμπλοκή, σε δύο συστήματα στο χωρόχρονο, τότε υπάρχει μία σήραγγα, μια σκουλικότρυπα που τα συνδέει στο χωρόχρονδο. Απέδειξε και το αντίστροφο: αν δημιουργήσω μια σήραγγα στο χωρόχρονο, τα άκρα της είναι σε διεμπλοκή. Αυτό δημοσιεύθηκε και στο Nature γιατί ήταν μια ικανή και αναγκαία συνθήκη διεμπλοκής. Πριν από μερικούς μήνες, έγινε η πρώτη προσομοίωση. Εάν αυτό επαληθευτεί πειραματικά, τότε η διεμπλοκή είναι ο αρχιτεκτονικός τρόπος δόμησης του Σύμπαντος. Ας σταματήσουμε εδώ γιατί από δω και πέρα η φαντασία προχωρεί χωρίς περιορισμό».

Αντιλαμβάνεστε σε τι καταστάσεις οδηγούμαστε. Αλλά ας δούμε πως ξεκινά η διαμάχη με το φιλοσοφικό ερώτημα. Ο Μπορ πίστευε ότι η κβαντική μηχανική είναι μια πλήρης, θεμελιώδης θεωρία της φύσης, και οικοδόμησε τη φιλοσοφική του κοσμοθεωρία πάνω σε αυτή την πεποίθηση, η οποία τον οδήγησε στη διακήρυξη: «Δεν νοείται να συζητάμε για αντικειμενικό κβαντικό κόσμο. Υπάρχει μόνο μια αφηρημένη κβαντομηχανική περιγραφή. Είναι λάθος να πιστεύουμε ότι σκοπός της φυσικής είναι να ανακαλύψει τη φύση. Η φυσική αφορά μόνο τι μπορούμε να συζητήσουμε για τη φύση».

Για τον Μπορ, δεν νοείται αντικειμενική φυσική πραγματικότητα ανεξαρτήτως του πρωτοκόλλου παρατήρησης στο οποίο περιλαμβάνεται και η συσκευή μέτρησης.

Ο Αϊνστάιν από την άλλη, βάσισε τη δική του αποτίμηση της κβαντικής μηχανικής στην ακλόνητη πεποίθησή του ότι υπάρχει μια αιτιοκρατούμενη και ανεξάρτητη από τον παρατηρητή πραγματικότητα. Με βάση αυτήν τη διαφορά ξεκινά η διαμάχη.

Και ενώ εξελίσσονταν τα πράγματα, ένας άλλος πρωτοπόρος φυσικός, ο Ντέιβιντ Μπομ παρενέβη το 1952 και είπε πως ναι μεν μπορεί η κβαντική μηχανική να μην είναι πλήρης αλλά εκείνα που δεν εξηγεί οφείλονται σε κάποιες τοπικές κρυφές μεταβλητές. Για να καταλάβετε τι είναι οι κρυφές μεταβλητές να ένα παράδειγμα: Όταν δεν είχαν ανακαλύψει ακόμη το μόριο, δεν μπορούσαν να εξηγήσουν που οφείλονταν οι ιδιότητες των αερίων. Οι ιδιότητες οφείλονταν στην συμπεριφορά του μορίου αναλόγως των συνθηκών που υφίστατο. Η κρυφή μεταβλητή τότε, ήταν το μόριο. Αλλά δεν το γνώριζαν.

Ο Βον Νόιμαν, όμως, απέδειξε πως τοπικές κρυφές μεταβλητές δεν υπάρχουν. Η απόδειξη του Βον Νόιμαν συμπληρώθηκε αργότερα. Και εδώ εμφανίζεται ο Μπελ ο οποίος διατυπώνει την ανισότητά του.

Αν ισχύει η ανισότητα του Μπελ, τότε έχει δίκαιο ο Αϊνστάιν. Αν παραβιάζεται η ανισότητα του Μπελ, έχει δίκαιο ο Μορ, δηλαδή, η κβαντική θεωρία.

Όλες οι έρευνες μέχρι τώρα δείχνουν παραβίαση της ανισότητας του Μπελ. Δικαιώνουν πλήρως, δηλαδή, τον Μπορ. Οι τρεις νομπελίστες συνέβαλλαν σημαντικά στην επαλήθευση της ανισότητας του Μπελ.

Το πρακτικό αποτέλεσμα όλης αυτής της διαμάχης είναι οι εφαρμογές της διεμπλοκής στην κβαντική τηλεμεταφορά και τους κβαντικούς υπολογιστές. Αλλά, όπως είπε στην ίδια εκπομπή που προαναφέραμε ο ερευνητής Κωνσταντίνος Μεϊχανετζίδης, για να μπορούν οι κβαντικοί υπολογιστές να έχουν την διάδοση των κλασικών υπολογιστών που χρησιμοποιούμε σήμερα, πρέπει να συμβεί  μια πολύ μεγάλη τεχνολογική επανάσταση.

Ας ελπίσουμε αυτά τα βήματα να προχωρήσουν την καινούργια χρονιά.