Η κβαντική διεμπλοκή είναι μία από τις πιο γνωστικά ανατρεπτικές αποκλίσεις μεταξύ του κβαντικού κόσμου και του μακροσκοπικού κόσμου
Όταν θεμελιώδη σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια ή φωτόνια, βρίσκονται σε διεμπλοκή, μοιράζονται μια κβαντική ταυτότητα και δεν μπορούν να περιγραφούν ως μεμονωμένες οντότητες· βρίσκονται σε υπέρθεση, χωρίς καθορισμένη κατάσταση, μέχρι να μετρηθεί τουλάχιστον ένα από αυτά.
Αυτό υπερβαίνει τη φυσική απόσταση, επομένως μια κβαντικά διεμπλεγμένη ρίψη νομίσματος στη Γη θα παρήγαγε ένα στιγμιαίο και αντίστοιχο αποτέλεσμα στον Άρη.
Φυσικά, τα αποτελέσματα αυτά είναι τυχαία και δεν μεταδίδουν καμία πληροφορία, καταρρίπτοντας τις ελπίδες για επικοινωνία ταχύτερη από το φως ή για τη δημιουργία ενός περίπλοκου κυκλώματος εξαπάτησης σε ρίψεις νομισμάτων μεταξύ Γης και Άρη.
Ωστόσο, η διεμπλοκή είναι κρίσιμη για τις τεχνολογίες κβαντικής πληροφορίας· χρειάζεται απλώς να αυξήσουμε τον αριθμό των σωματιδίων που μπορούμε να διεμπλέξουμε και την ικανότητά μας να μετράμε αυτά τα συστήματα.
Προς αυτή την κατεύθυνση, φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Κιότο και το Πανεπιστήμιο της Χιροσίμα μας έφεραν ένα ή μερικά βήματα πιο κοντά στο επερχόμενο κβαντικό μέλλον μας, σε μια μελέτη-ορόσημο που προσδιόρισε τη διαμόρφωση καταστάσεων διεμπλοκής πολλών σωματιδίων, ξεκινώντας από τρία φωτόνια.
Στην εργασία τους, η οποία δημοσιεύθηκε στο Science Advances τον Σεπτέμβριο του 2025, οι φυσικοί παρουσίασαν για πρώτη φορά μια νέα τεχνική για την πραγματοποίηση μετρήσεων των λεγόμενων τύπων διεμπλοκής κατάστασης W.
Προηγουμένως, οι επιστήμονες είχαν μετρήσει καταστάσεις Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), το γνωστό και θεμελιώδες «παγωτό βανίλια» των συστημάτων διεμπλοκής πολλών σωματιδίων.
«Περισσότερα από 25 χρόνια μετά την αρχική πρόταση σχετικά με τη διεμπλεκόμενη μέτρηση για τις καταστάσεις GHZ, καταφέραμε επιτέλους να πραγματοποιήσουμε και τη διεμπλεκόμενη μέτρηση για την κατάσταση W, με γνήσια πειραματική επίδειξη για καταστάσεις W τριών φωτονίων», εξηγεί ο Shigeki Takeuchi, ερευνητής κβαντικής πληροφορίας.
Όμως η «ζύμη με κομματάκια σοκολάτας» των διεμπλοκών κατάστασης W παρουσιάζει μεγαλύτερη πολυπλοκότητα και μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα που διαφέρει από τις καταστάσεις GHZ. Στις καταστάσεις W, αν χαθεί ένα από τα διεμπλεγμένα σωματίδια, τα υπόλοιπα διατηρούν τη χρήσιμη διεμπλεγμένη κατάστασή τους.
Είναι σημαντικό ότι η διεμπλοκή σωματιδίων μετράται συχνά με μια τεχνική γνωστή ως κβαντική τομογραφία. Λειτουργεί κατά κάποιον τρόπο όπως η αξονική υπολογιστική τομογραφία με ακτίνες Χ, η οποία αποκαλύπτει τα σκελετικά μυστικά του σώματός μας.
Περιλαμβάνει τη λήψη πολλών μετρήσεων και, στη συνέχεια, τη σύνθεση αυτών των «τομών» σε μια συνεκτική εικόνα.
Όμως αυτή η διαδικασία μπορεί να είναι αναποτελεσματική και περίπλοκη, δημιουργώντας δύο πρακτικά σημεία συμφόρησης
Πρώτον, οι επιστήμονες πρέπει να δημιουργήσουν πολλά πανομοιότυπα διεμπλεγμένα συστήματα, επειδή η μέτρηση (παρατήρηση) των ιδιοτήτων τους τα απομακρύνει από τις διεμπλεγμένες καταστάσεις τους.
Δεύτερον, οι μετρήσεις που απαιτούνται για την ανακατασκευή μιας διεμπλεγμένης κατάστασης αυξάνονται εκθετικά όσο αυξάνεται ο αριθμός των διεμπλεγμένων σωματιδίων.
Οι ερευνητές κατάφεραν να παρακάμψουν αυτά τα προβλήματα με μια μέτρηση μίας λήψης, η οποία προσδιόρισε ολόκληρο το διεμπλεγμένο σύστημα σε ένα μόνο βήμα.
Το πέτυχαν χρησιμοποιώντας μια οπτική διάταξη διακριτού μετασχηματισμού Fourier (DFT) δικής τους κατασκευής, η οποία λειτουργούσε ως προηγμένο συμβολόμετρο.
Με άλλα λόγια, εισήγαγαν τρία φωτόνια γνωστής πόλωσης σε αυτή τη συσκευή, η οποία τα διαχώρισε σε διαφορετικές διαδρομές και στη συνέχεια τα έφερε ξανά σε επαφή, ώστε να δουν πώς ευθυγραμμίζονταν οι κορυφές και οι κοιλάδες των κυματοσυναρτήσεών τους, είτε συνδυαζόμενες είτε αλληλοαναιρούμενες.
Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να μελετήσουν τη «συμμετρία κυκλικής μετατόπισης» της κατάστασης W, η οποία μοιάζει κάπως με το δακτυλικό αποτύπωμα ενός συστήματος, βασισμένο στη συμμετρία των κβαντικών ιδιοτήτων του.
Το μέρος της «κυκλικής μετατόπισης» σημαίνει ότι η δομική περιγραφή του διεμπλεγμένου συστήματος δεν αλλάζει όταν τα επιμέρους φωτόνια μετατοπίζονται κυκλικά.
Φανταστείτε μια ομάδα ανθρώπων να κάθεται σε κύκλο γύρω από μια φωτιά. Ξαφνικά, καθένας από αυτούς σηκώνεται και μετακινείται μία θέση προς τα αριστερά (ποιος ξέρει γιατί, ίσως αποτελούν μέρος μιας εσωτερικής, τύπου Borg συλλογικής συνείδησης που δεν έχει χάσει τη μακραίωνη γοητεία της από τις φλόγες).
Ως αποτέλεσμα, ο κύκλος των Borg μετά την κυκλική μετατόπιση μοιάζει ίδιος.
Έτσι, οι ερευνητές κατέγραψαν μέση πιστότητα διάκρισης μέτρησης (MDF) 0,871 ± 0,039.
Προσδιόρισαν σωστά την κατάσταση W στο 87% των περιπτώσεων, ξεπερνώντας με άνεση το μαθηματικό όριο του 66,7% (δύο τρίτα) που απαιτείται για να αποδειχθεί ότι έχει επιτευχθεί μέτρηση διεμπλοκής τριών σωματιδίων, αποδεικνύοντας έτσι την αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας τους.
Γιατί όχι 100%;
Η ομάδα αποδίδει την απόκλιση στις ατέλειες στην προετοιμασία των φωτονίων και στην ίδια τη διάταξη μέτρησης.
«Πιστεύουμε ότι αυτά τα αποτελέσματα αποτελούν σημαντικό ορόσημο προς μια ευρύτερη εφαρμογή των διεμπλεγμένων μετρήσεων πολλαπλών qubit σε φωτονικούς κβαντικούς υπολογισμούς, την κβαντική επικοινωνία και την ανίχνευση», γράφουν οι ερευνητές.
Κατά συνέπεια, αυτή η εργασία συμβάλλει στο να ανοίξει την πόρτα – ελπίζουμε όχι μια κβαντική πόρτα που είναι ταυτόχρονα ανοιχτή και κλειστή, δηλαδή ένα χτυπημένο δάχτυλο του ποδιού του Schrödinger – για κβαντικές εφαρμογές στην υπολογιστική και την κρυπτογραφία.
Η ομάδα σχεδιάζει τώρα να αναπτύξει φωτονικά κβαντικά κυκλώματα σε τσιπ για αυτές τις διεμπλεγμένες μετρήσεις.
Δεδομένων των τεράστιων τεχνολογικών δυνατοτήτων των κβαντικών υπολογιστών, αυτές οι εξελίξεις θα μπορούσαν να συνδυαστούν για να βελτιώσουν, για παράδειγμα, την έρευνα για φάρμακα που σώζουν ζωές ή τις εξατομικευμένες στρατηγικές υγειονομικής περίθαλψης.
Θα μπορούσαν επίσης να καταστήσουν τους λογαριασμούς μας με πόντους επιβράβευσης πιο ασφαλείς από ποτέ.
(Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Science Advances)
www.worldenergynews.gr
