Μαύρη μέρα για τον Άλμπερτ Αϊνστάιν. Historic Delft Experiments tests Einstein's 'God does not play dice' using quantum 'dice'

Το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής επιβεβαιώνει πείραμα ολλανδών επιστημόνων. An artistic impression of the entanglement between electrons. Credit: ICFO

Δυστυχώς κύριε Αϊνστάιν, το Σύμπαν είναι πιο αλλόκοτο από ό,τι μπορούσατε να φανταστείτε: πείραμα στην Ολλανδία δείχνει να επιβεβαιώνει οριστικά το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής, στο οποίο και μόνο η πράξη της παρατήρησης ενός σωματιδίου επηρεάζει ένα άλλο σωματίδιο στην άλλη άκρη του Σύμπαντος, και μάλιστα ακαριαία. 

This movie explains the concept of locality and quantum entanglement and the current experiment. Credit: Text: Michael van Baal. Graphics: Scixel

Μελέτη που δημοσιεύεται στο κορυφαίο περιοδικό «Nature» αναφέρει πώς δύο ηλεκτρόνια που απείχαν 1,3 χιλιόμετρα σε διαφορετικά εργαστήρια του Πανεπιστημίου της Ντελφτ συμπεριφέρονταν σαν να ήταν συνεννοημένα από πριν.

Στον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής, με την οποία ο Αϊνστάιν ουδέποτε κατάφερε να συμφιλιωθεί, προβλέπει ότι ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε διαφορετικές θέσεις ταυτόχρονα, και «κλειδώνει» τελικά σε μια συγκεκριμένη θέση μόνο αν κάποιος μπει στον κόπο να το παρατηρήσει.

Η κβαντική θεωρία προβλέπει επίσης ότι δύο ή περισσότερα σωματίδια μπορούν κάτω από ορισμένες συνθήκες να διεμπλακούν: αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε μεταβολή στο ένα από τα συνδεδεμένα σωματίδια προκαλεί αντίστοιχες, ακαριαίες μεταβολές και στα υπόλοιπα συνδεδεμένα σωματίδια.

«Στοιχειωμένη δράση από απόσταση» η κβαντική διεμπλοκή

Αϊνστάιν: ακόμα και ο πατέρας της Σχετικότητας δεν είδε δίκιο σε όλα…

Όπως εξηγούσε σε ένα διαβόητο άρθρο του το 1935, ο Αϊνστάιν απέρριπτε την ιδέα της κβαντικής διεμπλοκής, για την οποία χρησιμοποιούσε τον αφοριστικό χαρακτηρισμό «στοιχειωμένη δράση από απόσταση» (spooky action at a distance). Περισσότερο τον ενοχλούσε η ιδέα της ακαριαίας αλληλεπίδρασης από μεγάλες αποστάσεις, μια ιδέα που έδειχνε να έρχεται σε αντίθεση με τη βεβαιότητα ότι τίποτα δεν ταξιδεύει ταχύτερα από το φως; Πώς θα ήταν δυνατόν ένα σωματίδιο να ενημερώνει ακαριαία το απομακρυσμένο αδελφάκι του ότι κάτι έχει αλλάξει;

Ο πατέρας της Σχετικότητας πίστευε ότι τα σωματίδια έχουν άγνωστες ιδιότητες, οι οποίες με κάποιο μας ξεγελούν ώστε να νομίζουμε ότι η αλληλεπίδραση είναι ακαριαία, ενώ στην πραγματικότητα είναι προαποφασισμένη.

This movie explains how the Bell test works with a couple in love in the fictitious Bell restaurant (animation). Credit: Text: Michael van Baal. Graphics: Scixel

Κι όμως, πολυάριθμα πειράματα τις τελευταίες δεκαετίες έχουν διαψεύσει τον Αϊνστάιν. Το πρόβλημα όμως ήταν ότι υπήρχαν δύο θεωρητικά «παραθυράκια», τα οποία καθιστούσαν αδύνατη την οριστική απόδειξη της κβαντικής εμπλοκής.

Το πρώτο παραθυράκι αφορά το γεγονός ότι μόνο ένα μέρος των σωματιδίων του πειράματος είναι δυνατό να ανιχνευθούν -οι ερευνητές πρέπει επομένως να αρκούνται στην υπόθεση ότι τα σωματίδια που ανίχνευσαν είναι ενδεικτικά του συνόλου, κάτι που δεν ισχύει απαραίτητα στον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής.

Για να λύσουν το πρόβλημα, πολλές ερευνητικές ομάδες δεν χρησιμοποίησαν υποατομικά σωματίδια αλλά ολόκληρα άτομα, τα οποία είναι πιο εύκολο να ανιχνευθούν. Αυτό όμως ανοίγει ένα δεύτερο παραθυράκι, καθώς είναι δύσκολο να διατηρήσει κανείς τη διεμπλοκή ατόμων τα οποία απέχουν μεγάλες αποστάσεις. Αν όμως η απόσταση του πειράματος είναι μικρή, τότε το ένα σωματίδιο μπορεί θεωρητικά να ενημερώσει το άλλο χωρίς να παραβιαστεί η ταχύτητα του φωτός.

Random number generators played a critical role in an historic experiment. The experiment gives the strongest refutation to date of Albert Einstein's principle of 'local realism,' which says that the universe obeys laws, not chance, and that there is no communication faster than light. The fastest quantum random number generator to date. Credit: ICFO

Η νέα μελέτη κλείνει τα δύο παραθυράκια και δείχνει να βάζει το τελευταίο καρφί στο φέρετρο του Αϊνστάιν. Ο Ρόναλντ Χάνσον και οι συνεργάτες του ακολούθησαν με μια ιδιοφυή προσέγγιση, στην οποία δύο ηλεκτρόνια συνδέθηκαν με δύο φωτόνια τα οποία στη συνέχεια συνδέθηκαν μεταξύ τους. Αυτό τελικά δημιούργησε διεμπλοκή ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόνια από σε απόσταση 1,3 χιλιομέτρων.

Για τεχνικούς λόγους, η μεθοδολογία αυτή αποκλείει τα δύο παραθυράκια και δείχνει να τερματίζει, πιθανώς τελεσίδικα, μια επιστημονική διαμάχη 80 ετών.

«Δεν θα μου προκαλούσε έκπληξη αν δούμε έναν από τους συγγραφείς αυτής της δημοσίευσης, μαζί με τους ερευνητές κάποιων παλαιότερων πειραμάτων, να κερδίζει το βραβείο Νόμπελ. Τόσο συναρπαστικό είναι» είχε σχολιάσει στο Nature ο Μάθιου Λέιφερ, φυσικός του διάσημου Perimeter Institute στον Καναδά. Οι δηλώσεις του είχαν γίνει τον Αύγουστο, μετά την υποβολή της μελέτης αλλά πριν από την τελική έγκρισή της από το Nature.

Τα νέα, όμως, δεν είναι κακά μόνο για τον Αϊνστάιν - λόγο να δυσαρεστούνται έχουν και οι χάκερ. Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, τα ευρήματα έχουν σημασία για τη λεγόμενη κβαντική κρυπτογράφηση, η οποία βασίζεται στη διεμπλοκή φωτονίων. Τα δύο εν λόγω παραθυράκια θα μπορούσαν θεωρητικά να αξιοποιηθούν από χάκερ προκειμένου να παραβιάσουν την κρυπτογράφηση.

Οι τεχνικές που εφαρμόστηκαν στο τελευταίο πείραμα υπόσχονται τώρα να κλείσουν την πόρτα στους ωτακουστές. Είναι μια κακή μέρα για τον Αϊνστάιν, μια κακή μέρα για τους κατασκόπους.

Πηγή: B. Hensen et al. Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres, Nature (2015). DOI: 10.1038/nature15759.