Το φάντασμα που αγγίζει χωρίς να υπάρχει

Υπάρχουν στιγμές που η επιστήμη σου θυμίζει καλό θρίλερ. Κάτι τέτοιο συνέβη πρόσφατα στην Οξφόρδη.

Φαντάσου ότι περπατάς σε έναν δρόμο. Μπροστά σου υπάρχει ένας τοίχος. Εσύ τον προσπερνάς, κρατάς απόσταση. Κι όμως, ο τοίχος σε σπρώχνει. Παράλογο; Στον κόσμο μας, ναι. Στον κβαντικό κόσμο; Απολύτως φυσιολογικό.

Το φαινόμενο που τρέλανε τους φυσικούς

Ομάδα του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης κατάφερε κάτι εντυπωσιακό. Έφτιαξαν έναν κβαντικό υπολογιστή που προσομοιώνει τι συμβαίνει όταν ένα μικροσκοπικό σωματίδιο σταματάει από ένα μαγνητικό πεδίο που δεν ακούμπησε ποτέ.

Διάβασες σωστά. Το σωματίδιο πέρασε χωρίς να πλησιάσει το μαγνητικό πεδίο. Κι όμως — η συμπεριφορά του άλλαξε ριζικά.

Το φαινόμενο ονομάζεται Aharonov-Bohm και μαγεύει τους φυσικούς από το 1959.

Η παράξενη λογική της κβαντομηχανικής: Στον κόσμο μας, για να επηρεάσεις κάτι, πρέπει να το ακουμπήσεις ή τουλάχιστον να είσαι κοντά. Στην κβαντοφυσική; Άλλα λάστιχα. Ένα φορτισμένο σωματίδιο μπορεί να επηρεαστεί από μαγνητική "ροή" ακόμα κι όταν κινείται σε περιοχή χωρίς κανένα μαγνητικό πεδίο.

Πώς το κατάφεραν

Η ομάδα της Οξφόρδης δημιούργησε ένα υβριδικό κβαντικό σύστημα — σκέψου ένα μικροσκοπικό κβαντικό παιδικό πάρκο με δύο βασικά κομμάτια.

Πρώτο συστατικό: qubits. Είναι οι βασικές μονάδες κβαντικής πληροφορίας — κάτι σαν τα bits των συνηθισμένων υπολογιστών, αλλά πολύ πιο ασταθή και ενδιαφέροντα. Τα encoding έγινε σε παγιδευμένα ιόντα, δηλαδή άτομα με ηλεκτρικό φορτίο, συγκρατούμενα από ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

Δεύτερο συστατικό: κβαντικοί ταλαντωτές. Προέρχονται από τις δονήσεις αυτών των ιόντων και αναπαριστούν την κίνηση.

Συνδυάζοντας qubits με ταλαντωτές, έφτιαξαν έναν απλό βρόχο που λειτουργεί ως βασικό δομικό στοιχείο για τις λεγόμενες θεωρίες πλέγματος βαθμίδας (lattice gauge theories). Χωρίς να μπούμε στα μαθηματικά, αυτές οι θεωρίες βοηθούν τους φυσικούς να καταλάβουν πώς αλληλεπιδρούν η ύλη με τις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος — ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρή και ασθενής δύναμη.

Η πραγματική μαγεία: η κβαντική διαπλοκή

Εδώ γίνεται το ενδιαφέρον. Οι ερευνητές έθεσαν τα qubits τους σε κατάσταση διαπλεγμένη. Αν έχεις ακούσει για κβαντική διαπλοκή, ξέρεις ότι είναι αυτό το "συνδεδεμένο" φαινόμενο που ο Αϊνστάιν αποκάλεσε "στοιχειωτική δράση από απόσταση".

Σε αυτή την περίπτωση, η διαπλοκή έγινε το υποκατάστατο της μαγνητικής ροής που περνούσε μέσα από τον βρόχο. Το σωματίδιο επηρεάστηκε από κάτι που δεν μπορούσε να δει ή να αγγίξει — απλά επειδή έτσι ήταν δομημένο το κβαντικό σύστημα.

Γιατί πρέπει να σε νοιάζει;

Καλή ερώτηση. Το πρόβλημα είναι ότι η προσομοίωση αυτών των αλληλεπιδράσεων με συμβατικούς υπολογιστές είναι τρελά δύσκολη. Η μαθηματική πολυπλοκότητα είναι τόσο μεγάλη που ακόμα και οι υπερυπολογιστές δυσκολεύονται.

Οι κβαντικοί υπολογιστές προσφέρουν εναλλακτική προσέγγιση. Αντί να υπολογίζουν τα πάντα βήμα-βήμα, οι επιστήμονες χτίζουν ένα κβαντικό σύστημα που ακολουθεί τους ίδιους κανόνες και απλά... παρατηρούν τι συμβαίνει. Είναι σαν να μην λύνεις ένα λαβύρινθο στο χαρτί, αλλά να τον κατασκευάζεις και να ρίχνεις μέσα ένα μικροσκοπικό ρομποτάκι να τον εξερευνήσει.

Αυτή η έρευνα δείχνει ότι υβριδικά κβαντικά συστήματα όπως αυτό της Οξφόρδης μπορούν να μας βοηθήσουν να μελετήσουμε αλληλεπιδράσεις που γίνονται ολοένα και πιο δύσκολο να ερευνηθούν αλλιώς. Και αυτό έχει σημασία, γιατί η κατανόηση αυτών των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων μπορεί τελικά να μας οδηγήσει σε καλύτερους κβαντικούς υπολογιστές, στην κατανόηση των βασικών δομικών στοιχείων του σύμπαντος, ή ίσως — ίσως — σε εντελώς νέα φυσική που δεν έχουμε καν φανταστεί.

Τι πρέπει να θυμάσαι

Δεν θα σου πω ψέματα: αυτά δεν είναι εύκολα. Διαβάζω για κβαντοφυσική χρόνια και ακόμα μου πονάει το μυαλό — με τον καλύτερο τρόπο.

Αλλά αυτό που με ενθουσιάζει είναι ότι ζούμε σε μια εποχή που προβλέψεις δεκαετιών από ξεχασμένα επιστημονικά άρθρα επιτέλους δοκιμάζονται σε πραγματικά εργαστήρια. Όταν ο Αϊνστάιν ονειρευόταν τις "στοιχειωτικές" ιδέες του, δεν φανταζόταν ότι θα χτίζαμε μηχανές για να τις εξερευνήσουμε.

Την επόμενη φορά που κάποιος σου πει ότι η φυσική είναι βαρετή ή άχρηστη, θυμήσου: κάπου εκεί έξω, σωματίδια σπρώχνονται από αόρατες δυνάμεις που δεν ακούμπησαν ποτέ. Και ειλικρινά; Αυτό είναι απίστευτα εντυπωσιακό.