ΝΟΜΠΕΛ ΦΥΣΙΚΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΛΛΗΨΗ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

Οι δύο φυσικοί που κατάφεραν πρώτοι να παγιδεύσουν μεμονωμένα κβαντικά σωματίδια τιμώνται με το Νόμπελ Φυσικής του 2012, ανακοίνωσε το μεσημέρι της Τρίτης η επιτροπή των βραβείων στη Στοκχόλμη. Ο Γάλλος Σερζ Αρός και ο Αμερικανός Ντέιβιντ Ουάινλαντ θα μοιραστούν από κοινού το βραβείο «για τις επαναστατικές πειραματικές μεθόδους που επιτρέπουν τη μέτρηση και το χειρισμό μεμονωμένων κβαντικών συστημάτων». Και οι δύο φυσικοί εργάζονται στον κλάδο της «κβαντικής οπτικής» και μελετούν τις θεμελιώδεις ιδιότητες του φωτός και της ύλης.

Οι έρευνες των Αρός και Ουάινλαντ ανοίγουν ουσιαστικά το δρόμο για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι «ίσως θα αλλάξουν την καθημερινή ζωή μας όπως την άλλαξαν οι κλασικοί υπολογιστές τον περασμένο αιώνα» επισημαίνει η επιτροπή.

Ο Σερζ Αρός (Serge Haroche, ένθετη αριστερά) γεννήθηκε το 1944 στην Καζαμπλάνκα και ολοκλήρωσε το διδακτορικό του το 1971 στο Πανεπιστήμιο «Πιέρ και Μαρί Κιουρί» του Παρισιού. Είναι σήμερα καθηγητής στο Collège de France και την Ecole Normale Supérieure στο Παρίσι.

Ο Ντέιβιντ Ουάινλαντ (David J. Wineland, ένθετη κάτω δεξιά) γεννήθηκε το 1944 στο Μιλγουόκι και έγινε διδάκτορας του Χάρβαρντ το 1970. Εργάζεται σήμερα στο αμερικανικό Εθνικό Ινστιτούτο Μέτρων και Τεχνολογίας και το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Μπούλντερ.

Το Νόμπελ Φυσικής είναι το δεύτερο βραβείο που ανακοινώνεται αυτή την εβδομάδα. Ακολουθεί την Τετάρτη το Νόμπελ Χημείας. 

Κβαντικές παγίδες

Η κβαντική φυσική, ή κβαντομηχανική, είναι ο κλάδος που εξετάζει τη φύση σε μικροσκοπικές, έσχατες διαστάσεις. Σε αυτόν τον παράξενο, σχεδόν παράλογο κόσμο οι νόμοι της κλασικής φυσικής παύουν να ισχύουν και τα κβαντικά φαινόμενα καταλαμβάνουν τον έλεγχο.

Είναι όμως δύσκολο να απομονώσει κανείς μεμονωμένα σωματίδια, όπως τα φωτόνια και τα άτομα, και να μελετήσει τις κβαντικές ιδιότητές τους. Μάλιστα πολλοί πίστευαν κάποτε ότι αυτό θα ήταν αδύνατο -μέχρι που οι Αρός κι Ουάινλαντ απέδειξαν ότι είναι εφικτό.

Και οι δύο φυσικοί εργάζονται στον κλάδο της κβαντικής οπτικής, μελετώντας τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στο φως και την ύλη. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούν είναι ουσιαστικά παρόμοιες: Ο Ουάιλαντ παγιδεύει ιόντα, δηλαδή φορτισμένα άτομα, και τα μελετά χρησιμοποιώντας φωτόνια, δηλαδή φως. Ο Αρός ακολουθεί την αντίθετη προσέγγιση και χρησιμοποιεί άτομα για να εξετάσει παγιδευμένα φωτόνια.

Στο εργαστήριο το Ουάινλαντ στο Κολοράντο, ιόντα αιωρούνται μέσα σε μια παγίδα που τα συγκρατεί με ηλεκτρικά πεδία. Μια δέσμη λέιζερ εισέρχεται στην παγίδα και καταστέλλει τη θερμική κίνηση του ιόντος, δηλαδή το ακινητοποιεί κατά κάποιο τρόπο. 

Το εντυπωσιακό είναι όμως ότι ένας προσεκτικά ρυθμισμένος παλμός του λέιζερ μπορεί να φέρει το σωματίδιο σε μια παράξενη κατάσταση στην οποία καταλαμβάνει δύο ενεργειακές στάθμες ταυτόχρονα. Και αυτό είναι μια απόδειξη της «υπέρθεσης», ή «επαλληλίας», κατά το οποίο ένα σωματίδιο βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, είναι θεμελιώδης αρχή της κβαντομηχανικής.

Ο Σερζ Aρός ακολουθεί μια διαφορετική τακτική για να μελετήσει την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη. Στο εργαστήριό του στο Παρίσι, φωτόνια εισάγονται σε μια μικρή κοιλότητα με τοιχώματα που αποτελούνται από τους πιο λείους καθρέπτες του κόσμου -τόσο λείους, ώστε κάθε φωτόνιο μπορεί να διανύσει 40.000 χιλιόμετρα αναπηδώντας στα τοιχώματα, πριν τελικά απορροφηθεί.

Για να ελέγξει και να μετρήσει αυτά τα φωτόνια καθώς αναπηδούν πέρα δώθε, ο Αρός εισάγει στην κοιλότητα ένα άτομο που κινείται με συγκεκριμένη ταχύτητα. Το άτομο αλληλεπιδρά με το φωτόνιο, αλλάζει κβαντική κατάσταση και στη συνέχεια βγαίνει από την άλλη άκρη της παγίδας, οπότε μπορεί να μετρηθεί. Η μέτρηση της μεταβολής της κβαντικής κατάστασης του ατόμου δίνει τελικά πληροφορίες για το ίδιο το φωτόνιο, χωρίς να το καταστρέψει στη διαδικασία.

Το ζόμπι του Σρέντιγκερ

Τα πειράματα των νικητών του φετινού Νόμπελ θα είχαν αφήσει έκπληκτο τον Αυστριακό φυσικό Έρβιν Σρέντιγκερ, έναν από τους θεμελιωτές της κβαντικής φυσικής τον προηγούμενο αιώνα. «Ποτέ δεν πειραματιζόμαστε με μόνο ένα ηλεκτρόνιο ή άτομο ή μόριο. Ορισμένες φορές υποθέτουμε ότι το κάνουμε σε πειράματα σκέψης, αυτό όμως οδηγεί πάντα σε γελοίες συνέπειες» έγραφε το 1952. Αυτό που προβλημάτιζε τον Σρέντιγκερ ήταν οι σχεδόν παράλογες συνέπειες των εξισώσεών του, οι οποίες έδειχναν ότι ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Φανταστείτε, είπε, μια γάτα που βρίσκεται απομονωμένη σε ένα κουτί όπου υπάρχει και μια συσκευή απελευθέρωσης ενός δηλητηρίου, η οποία ελέγχεται από ένα κβαντικό σύστημα. 

Το κβαντικό σύστημα βρίσκεται σε δύο καταστάσεις, και επομένως και η γάτα βρίσκεται σε δύο καταστάσεις: και ζωντανή και νεκρή ταυτόχρονα. Αυτό όμως είναι αδύνατο να παρατηρηθεί, αφού το άνοιγμα του κουτιού θα διατάρασσε την κβαντική υπέρθεση και θα καθιστούσε τη γάτα είτε ζωντανή είτε νεκρή.

Ο ίδιος ο Σρέντιγκερ ζήτησε αργότερα συγγνώμη για τη σύγχυση που προκάλεσε στη φυσική, τελικά όμως οι Αρός και Ουάινλαντ έδειξαν ότι τέτοιες καταστάσεις υπέρθεσης υπάρχουν και μπορούν να δημιουργηθούν στο εργαστήριο, με φωτόνια ή άτομα που βρίσκονται ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις.

Και, όσο κι αν φαίνεται παράξενο, ο παραλογισμός του Σρέντιγκερ μπορεί να έχει πρακτικές εφαρμογές, μεταξύ άλλων στους κβαντικούς υπολογιστές.

Οι σημερινοί υπολογιστές αποθηκεύουν την πληροφορία σε bit, τα οποία βρίσκονται είτε στην κατάσταση «0» είτε στην κατάσταση «1». Στους κβαντικούς υπολογιστές όμως, κάθε bit μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, επιτρέποντας παράλληλους υπολογισμούς με αστρονομική ταχύτητα.

Newsroom ΔΟΛ