Ο Schrödinger καλεί την πυροσβεστική για να διασώσει τη γάτα του από ένα ψηλό δέντρο. Ο πυροσβέστης ανεβαίνει, χάνεται ανάμεσα στα κλαδιά και επιστρέφει. «Λοιπόν», λέει στον πρώτο, «έχω καλά και κακά νέα..». Αν αντιληφθήκατε το παραπάνω ως μία αποτυχημένη απόπειρα για χιούμορ, σημαίνει ότι είστε από εξοικειωμένοι με το φημισμένο παράδοξο της «γάτας του Schrödinger», έως σε κάποιο βαθμό γνώστες των βασικών εννοιών της Κβαντομηχανικής. Σε αντίθετη περίπτωση το παρακάτω κείμενο μπορεί να σας κατατοπίσει σχετικά με τη θεμελίωση της θεωρίας και την ξεχωριστή συνεισφορά του Erwin Schrödinger.
Ο Erwin Schrödinger στην επιστήμη
Μέλος μίας ξεχωριστής ομάδας από πρωτοπόρους επιστήμονες της αρχής του 20ου αιώνα, ο αυστριακός νομπελίστας φυσικός, Erwin Schrödinger ξεχωρίζει χάρη στο ευρύ πνεύμα και την πολυδιάστατη ευφυΐα του, καθώς κόντρα στην ήδη αυξανόμενη τάση για εξειδίκευση καταπιάστηκε με σχεδόν όλους του σημαντικούς κλάδους των φυσικών επιστημών, αλλά και της φιλοσοφίας, αφήνοντας σημαντική παρακαταθήκη. Από τις πνευματικές του περιηγήσεις ξεχωρίζει το, βασισμένο σε σειρά διαλέξεων, βιβλίο του με τίτλο «Τι είναι η ζωή;» («What is Life?», 1944), που πραγματεύεται την ερμηνεία της βιολογικής εξέλιξης υπό το πρίσμα της φυσικής, αλλά και το βιβλίο «Η φύση και οι Έλληνες» στο οποίο αποπειράται μία ιστορική και φιλοσοφική ιχνηλάτηση των απαρχών της επιστήμης στον δυτικό κόσμο. Και τα δύο παραπάνω έργα του απέσπασαν διθυραμβικές κριτικές, ακόμα και από σημαντικούς εκπροσώπους των αντίστοιχων πεδίων, και περιέχουν έννοιες που θεωρούνται αναπόσπαστο κομμάτι της ιστοριογραφίας τους μέχρι και σήμερα. Έως το θάνατό του από φυματίωση σε ηλικία 73 ετών ο Schrödinger είχε πραγματοποιήσει μελέτες, μεταξύ άλλων, στη φυσική, τη φιλοσοφία, τη βιολογία, την ψυχολογία και την ιστορία της επιστήμης. Ωστόσο ήταν χάρη στην ανάπτυξη της κυματικής θεωρίας της ύλης και την τεράστια συνεισφορά του στη θεμελίωση της κβαντομηχανικής θεωρίας που σύντομα κατατάχθηκε ανάμεσα στους «πατέρες της Κβαντομηχανικής».
Η αναζήτηση μιας κυματικής εξίσωσης
Σήμερα η κβαντομηχανική αποτελεί ένα στέρεο θεωρητικό οικοδόμημα με πολλές πειραματικές επιβεβαιώσεις, ενώ μαζί με τη θεωρία της Σχετικότητας θεωρείται ως ένας από τους δύο πυλώνες της σύγχρονης φυσικής. Ωστόσο, στις αρχές του 20ου αιώνα, οι φυσικοί είχαν βρεθεί αντιμέτωποι με ασύμβατα με την κλασική φυσική πειραματικά αποτελέσματα και ατελέσφορες θεωρητικές ερμηνείες. Η αντισυμβατική κβαντομηχανική θεωρία που αναπτύχθηκε τις επόμενες δεκαετίες έδωσε σταδιακά ικανοποιητικές απαντήσεις.
Ποιες ήταν όμως οι απαρχές της επανάστασης της κβαντομηχανικής; Στις αρχές του 20ου αιώνα οι φυσικοί γνώριζαν ότι κάθε σώμα που έχει θερμοκρασία εκπέμπει ακτινοβολία και ήξεραν μάλιστα από τα πειραματικά δεδομένα με ποιον τρόπο αυτή κατανέμεται στα διάφορα μήκη κύματος («χρώματα»). Κανείς δεν μπορούσε όμως να εξηγήσει την κατανομή αυτή με όρους κλασικής φυσικής. Η διέξοδος δόθηκε από τον Max Planck, ο οποίος εισήγαγε την υπόθεση ότι η ακτινοβολία εκπέμπεται και απορροφάται με την ανταλλαγή διακριτών πακέτων ενέργειας τα οποία ονομάστηκαν «κβάντα». Η υπόθεση ήταν τόσο αντισυμβατική για την εποχή που ακόμα και ο ίδιος ο Planck την αντιμετώπιζε αρχικά ως μια λύση απελπισίας. Πάντως η θεωρία των κβάντα εξηγούσε, όχι μόνο την κατανομή της ακτινοβολίας, για την οποία η κλασική θεωρία αδυνατούσε να δώσει απάντηση, αλλά και πληθώρα άλλων φαινομένων του μικρόκοσμου, όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, για τη ερμηνεία του οποίου τιμήθηκε ο Einstein με Νόμπελ Φυσικής το 1921. Υιοθετώντας μία παρόμοια παραδοχή με εκείνη του Planck ο Einstein υποστήριξε ότι το φως δεν έχει μόνο κυματικές ιδιότητες, αλλά και σωματιδιακές και μεταφέρει ενέργεια μέσω διακριτών πακέτων ενέργειας διαφόρων συχνοτήτων –τα γνωστά μας φωτόνια. Η «κβάντωση» της ενέργειας υιοθετήθηκε την ίδια περίοδο και από τον Niels Bohr προκειμένου να ερμηνεύσει τη σταθερότητα του ατόμου του υδρογόνου, εισάγοντας την υπόθεση ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε σταθερές τροχιές, έχοντας συγκεκριμένες διακριτές (κβαντισμένες) τιμές ενέργειας. Παρά τη φαινομενολογική επιτυχία του μοντέλου του Bohr, η έννοια των ηλεκτρονίων με διαφορετικές ενεργειακές στάθμες, άρα και συχνότητες, δεν ήταν αποδεκτή με βάση την κλασική φυσική. Τη λύση σε αυτή την αναντιστοιχία έδωσε τελικά ο de Broglie, ο οποίος περιέγραψε τις τροχιές των ηλεκτρονίων ως στάσιμα κύματα διαφορετικών συχνοτήτων. Τα «κύματα ύλης» του de Broglie σε συνδυασμό με τα φωτόνια του Einstein σύνδεσαν δύο φαινομενικά ασυμβίβαστες έννοιες, του σωματιδίου και του κύματος, οδηγώντας στην παραδοχή της διττής, κυματοσωματιδιακής υπόστασης όλων των φυσικών οντοτήτων.
Η κβαντομηχανική έλαβε τελικά τη σημερινή της μορφή χάρη στη συνεισφορά του Schrödinger. Σε μία διάλεξη του τελευταίου σχετικά με την υπόθεση του de Broglie, ο διάσημος φυσικός της εποχής Peter Debye αντέδρασε, θεωρώντας την τελείως ανεδαφική, τονίζοντας μάλιστα το γεγονός ότι δεν υπάρχει μία κυματική εξίσωση που να περιγράφει τα κύματα που απαιτεί το μοντέλο. Ο Schrödinger καταπιάστηκε με το πρόβλημα και με αφετηρία την υπόθεση του de Broglie δούλεψε εντατικά για τις επόμενες δύο βδομάδες. Επιστρέφοντας, παρουσίασε τα αποτελέσματά του σε ένα επιστημονικό σεμινάριο ξεκινώντας τη διάλεξη του ως εξής: «Ο συνάδελφος Debye είπε ότι πρέπει να έχει κανείς μία κυματική εξίσωση. Ε λοιπόν, βρήκα μία». Η διάσημη κυματική εξίσωση του Schrödinger είναι εκείνη που περιγράφει λοιπόν τα «κύματα ύλης» του de Broglie και μαζί ένα μεγάλο αριθμό φαινομένων του μικροκόσμου. Η άκρως επιδραστική δουλειά του Schrödinger είχε μόλις δημιουργήσει μία αναστάτωση στον κόσμο της φυσικής, για την οποία απολογούταν μάλιστα, χαριτολογώντας, στη μετέπειτα ζωή του.
Στην κλασική φυσική η μετάδοση της πληροφορίας ή της διαταραχής συντελείται από κύματα που διέπονται από μία θεμελιώδη κυματική εξίσωση που περιγράφει και προβλέπει αιτιοκρατικά τη συμπεριφορά τους. Αντίθετα, στην πιθανοκρατικής φύσης κβαντομηχανική προσέγγιση οι φυσικές οντότητες διάδοσης της πληροφορίας, όπως τα φωτόνια ή τα ηλεκτρόνια, ερμηνεύονται με βάση «κύματα πιθανότητας» ή «κυματοσυναρτήσεις», οι οποίες υπακούν στην εξίσωση του Schrödinger. Ενώ στα κύματα της κλασικής φυσικής, μηχανικά ή ηλεκτρομαγνητικά, η υπέρθεση ή επαλληλία οδηγεί στη σύνθεση ενός νέου κύματος με συνδυαστικά χαρακτηριστικά, στην κβαντομηχανική προσέγγιση η υπέρθεση αναφέρεται στην ταυτόχρονη συνύπαρξη δύο ή περισσότερων κυμάτων πιθανότητας. Οποιαδήποτε απόπειρα παρατήρησης του συστήματος το οδηγεί στο να επιλέξει μία κατάσταση. Συνοψίζοντας, θα λέγαμε ότι ένα υποατομικό σωματίδιο παρουσιάζει ταυτόχρονα μετρήσιμες κυματικές ιδιότητες και υφίσταται ταυτόχρονα σε όλες τις δυνατές (ενεργειακές) καταστάσεις, έως ότου παρατηρηθεί. Μία παρατήρηση του συστήματος θα το οδηγήσει όπως συνηθίζουν να λένε οι σωματιδιακοί φυσικοί στην «κατάρρευση» της κυματοσυνάρτησης σε μία κατάσταση.
Η ακτινοβολία του μέλανος σώματος και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ήταν μόνο η αρχή. Ενώ η θεωρία είχε λάβει μία καλά θεμελιωμένη μορφή μέχρι το 1927, οι πειραματικές επιτυχίες, αλλά και η επέκταση της θεωρίας συνεχίστηκαν τις επόμενες δεκαετίες. Με αυτή εξηγήθηκε η πόλωση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ερμηνεύθηκε η συμπεριφορά του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε μικροσκοπικό επίπεδο, προβλέφθηκαν και τελικά ανιχνεύθηκαν άγνωστα ως τότε υποατομικά σωματίδια, όπως τα quark, και αναπτύχθηκε το θεωρητικό πλαίσιο περιγραφής των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων.
Από τη θεωρητική, στην τεχνολογική επανάσταση: η κβαντομηχανική στους επεξεργαστές και τα δίκτυα
Σε τι πλαίσιο όμως, μπορεί μία δυσνόητη και αντιδιαισθητική για τον άνθρωπο πιθανοκρατική θεωρία να βρει πρακτικές εφαρμογές; Η απάντηση έχει δοθεί εδώ και δεκαετίες με τεχνολογίες όπως τα λέιζερ, τους μικροεπεξεργαστές, τους μαγνητικούς τομογράφους και τις ακτινογραφίες, τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια, τους υπεραγώγιμους μαγνήτες κ.α. Στις μέρες μας φαίνεται πως η αναζήτηση για το ιερό δισκοπότηρο της κβαντικής τεχνολογίας περνάει μέσα από τους κβαντικούς επεξεργαστές και τους αντίστοιχους κβαντικούς υπολογιστές. Όπως η κβαντική θεωρία της συνύπαρξης όλων των πιθανών καταστάσεων αποκλίνει από την κλασική θεώρηση, έτσι και οι κβαντικοί επεξεργαστές αποκλίνουν από τους κλασικούς μέσω της συμπεριφοράς των πιθανών καταστάσεων μετάδοσης της πληροφορίας.
Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές που χρησιμοποιούμε σήμερα βασίζονται στην τεχνολογία των τρανζίστορ (κρυσταλλοδιόδων) που διαχειρίζονται τη μεταφορά της πληροφορίας μέσω δύο αυστηρά προκαθορισμένων διακριτών και κωδικοποιημένων καταστάσεων, 0 και 1 (τα γνωστά μας bit) που αντιπροσωπεύουν τη διέλευση, ή μη, ρεύματος από τη δίοδο, αντίστοιχα. Με την εφαρμογή κατάλληλης τάσης τα ηλεκτρόνια περνούν από τη δίοδο μεταφέροντας την πληροφορία. Στον κβαντικό επεξεργαστή από την άλλη, η (κβαντική) κωδικοποιημένη πληροφορία, με τη μορφή ενός φωτονίου ή ηλεκτρονίου, μπορεί, με βάση τη θεωρία, να υφίσταται και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, δηλαδή σε υπέρθεση, παρέχοντας τη δυνατότητα επεξεργασίας διπλάσιου όγκου πληροφορίας στον ίδιο χρόνο. Η κωδικοποιημένη αυτή πληροφορία ονομάζεται qubit και, όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, η ταυτόχρονη χρήση πολλαπλών qubit μπορεί να οδηγήσει σε μία ασύλληπτη αύξηση της υπολογιστικής ισχύος ενός επεξεργαστή. Όμως, πως μπορεί να επιτευχθεί η εκμετάλλευση μίας ομάδας qubits που να επικοινωνούν συλλογικά μεταφέροντας δεδομένα σε μεγάλες αποστάσεις; Την απάντηση δίνει ξανά η κβαντική θεωρία μέσω του παράδοξου φαινομένου της κβαντικής διεμπλοκής (quantum entanglement), λόγω του οποίου δύο ή περισσότερες φυσικές οντότητες αλληλεπιδρούν ακόμη και αν βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία του χώρου, ενώ κάθε φυσική αλλαγή στη μία επιφέρει ακαριαία την ίδια αλλαγή και στην άλλη. Συνδυάζοντας λοιπόν τα δύο «εξωτικά» κβαντικά φαινόμενα της υπέρθεσης και της διεμπλοκής καταλήγουμε θεωρητικά σε ομάδες από διαπλεγμένα qubits, τα οποία παρουσιάζουν συλλογική συμπεριφορά ανεξάρτητα της απόστασης που τα χωρίζει.
Το 2021 φυσικοί του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, στο Hefei πραγματοποίησαν κβαντική δικτύωση όταν πέτυχαν την πρώτη επιβεβαιωμένη κβαντική διεμπλοκή μεταξύ τριών κόμβων (κβαντικών επεξεργαστών). Παρότι δεν πραγματοποιήθηκε κάποια μεταφορά πληροφορίας, αναγνωρίζεται ως η πρώτη πειραματική επιβεβαίωση ότι η κβαντική διεμπλοκή δύναται να επιτευχθεί και να αποθηκευτεί προσωρινά μεταξύ κβαντικών επεξεργαστών σε απόσταση. Πιο πρόσφατα, επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Delf στην Ολλανδία, με επικεφαλής τον φυσικό Ronald Handson, πέτυχαν μετάδοση φωτονίων με τη χρήση δικτύου τριών κόμβων, μέσω κβαντικής διεμπλοκής. Τα παραπάνω λογίζονται ως τα πρώτα βήματα προς τη δημιουργία του πολυπόθητου κβαντικού διαδικτύου (quantum internet). Το κβαντικό διαδίκτυο θα είναι ένα δίκτυο που θα επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι θα είναι σε θέση όχι μόνο να εκτελούν ασύλληπτα πολύπλοκους για τα σημερινά δεδομένα υπολογισμούς, αλλά και να ανταλλάζουν τεράστιους όγκους δεδομένων ακαριαία και με απόλυτη ασφάλεια απέναντι σε οποιαδήποτε απόπειρα υποκλοπής.
Παρά την πρόοδο πάνω στην εφαρμογή της κβαντομηχανικής θεωρίας και των κυμάτων πιθανότητας του Schrödinger, οι ίδιοι οι ερευνητές τονίζουν ότι οι τεχνολογικές προκλήσεις είναι ακόμη πολλές και η ολοκλήρωση ενός λειτουργικού κβαντικού δικτύου ευρείας χρήσης είναι μακριά. Οι αισιόδοξοι μιλούν για υπόθεση μερικών ετών και η κούρσα των τεχνολογικών κολοσσών για την ανάπτυξη των κβαντικών δικτύων και υπολογιστών σε συνδυασμό με την ραγδαία άνοδο της Τεχνητής Νοημοσύνης, θα λέγαμε ότι συνηγορεί ως προς αυτό. Ωστόσο, παρά τις πειραματικές επιτυχίες και την ύπαρξη μίας καλά θεμελιωμένης κβαντομηχανικής θεωρίας τα φαινόμενα πάνω στα οποία στηρίζονται οι εφαρμογές αυτές συντελούνται σε ατομικό και υποατομικό επίπεδο και, όπως διαπιστώνουν τώρα οι ερευνητές, η πολυπλοκότητα του εγχειρήματος αυξάνει σημαντικά με κάθε προσθήκη ενός ακόμη κόμβου στο δίκτυο.
Πηγές:
https://quantum-internet.team/2018/10/19/quantum-internet-a-vision-for-the-road-ahead/
Κβαντομηχανική Ι, Στέφανος Τραχανάς, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο, 2009.
