Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ και του Πανεπιστημίου της Οττάβα χρησιμοποίησαν μία συγκριτικά νέα τεχνική προκειμένου να μετρήσουν απευθείας για πρώτη φορά τις καταστάσεις πόλωσεις του φωτός
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ και του Πανεπιστημίου της Οττάβα χρησιμοποίησαν μία συγκριτικά νέα τεχνική προκειμένου να μετρήσουν απευθείας για πρώτη φορά τις καταστάσεις πόλωσεις του φωτός. Η έρευνά τους συνεπάγεται επιπλοκές για τη διάσημη αρχή της αβεβαιότητας (ή αρχή της απροσδιοριστίας) του Βέρνερ Χάιζενμπεργκ.
Η αρχή της αβεβαιότητας και η γάτα του Schrödinger
Σύμφωνα με την αρχή που διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1927, είναι αδύνατο να μετρηθεί ταυτόχρονα και με ακρίβεια, ούτε πρακτικά, ούτε και θεωρητικά η θέση και η ταχύτητα, ή ορμή, ενός σωματιδίου. Επομένως, ορισμένες ιδιότητες ενός κβαντικού συστήματος θα είναι γνωστές ανεπαρκώς, εάν άλλες σχετικές ιδιότητες είναι γνωστές με ακρίβεια.
Η αρχή της απροσδιοριστίας και η γενικότερη κβαντική μηχανική έγινε ακόμα πιο γνωστή στο ευρύ κοινό χάρις στο δημοφιλές παράδοξο της γάτας του Schrödinger. Σύμφωνα με αυτό, σε ένα σφραγισμένο κουτί βρίσκονται μία γάτα, ένα δοχείο με δηλητήριο και μία ραδιενεργή πηγή. Αν εντοπιστεί ραδιενέργεια (π.χ. αποσύνθεση ενός ατόμου), το δοχείο σπάει και το δηλητήριο σκοτώνει τη γάτα.
Μία ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής υποδηλώνει πως μετά από λίγο η γάτα είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή. Όμως εάν ένας παρατηρητής κοιτάξει το κουτί, τότε θα δει τη γάτα είτε ζωντανή είτε νεκρή, όχι και τα δύο. Αυτό θέτει το ερώτημα του πότε ακριβώς η κβαντική υπέρθεση καταστάσεων σταματά και η πραγματικότητα καταρρέει στο ένα από τα δύο ενδεχόμενα.
Χρησιμοποιώντας μία καινοτόμο τεχνική
Η τεχνική της άμεσης μέτρησης αναπτύχθηκε για πρώτη φορά το 2011 από επιστήμονες του Εθνικού Καναδικού Συμβουλίου Έρευνας προκειμένου να μετρήσουν την κυματοσυνάρτηση ενός κβαντικού συστήματος. Έως τότε μία τέτοιου είδους μέτρηση πιστευόταν πως είναι αδύνατη, υπό την έννοια ότι δε θα μπορούσαμε ποτέ να κατανοήσουμε πλήρως ένα κβαντικό σύστημα παρατηρώντας το άμεσα.
Τώρα, οι Καναδοί ερευνητές κατέληξαν σε ένα παράλληλο αποτέλεσμα, το ότι είναι πιθανό να πραγματοποιηθούν άμεσες μετρήσεις βασικών σχετικών μεταβλητών (γνωστών ως «συζευγμένες» μεταβλητές) ενός κβαντικού σωματιδίου ή κατάστασης. Η ανακάλυψη είναι εφαρμόσιμη σε qubits, τα δομικά στοιχεία της κβαντικής πληροφορικής, καθώς οι καταστάσεις πόλωσης του φωτός μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση πληροφοριών.
«Η ικανότητα πραγματοποίησης άμεσων μετρήσεων της κβαντικής κυματοσυνάρτησης έχει σημαντικές μελλοντικές συνέπειες στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορικής», δήλωσε ο Ρόμπερτ Μπόυντ, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας. «Στο εγγύς μέλλον η ομάδα μας θα εφαρμόσει αυτή την τεχνική σε άλλα συστήματα, για παράδειγμα μετρώντας μία μεικτή (αντί για «καθαρή») κβαντική κατάσταση».
Η καινοτόμος τεχνική χρησιμοποιεί ένα έξυπνο «τρικ» για να μετρήσει την πρώτη ιδιότητα με έναν αρκετά «αδύναμο» τρόπο, ώστε το σύστημα να μη διαταραχθεί σε σημαντικό βαθμό και να παραμείνει δυνατή η απόκτηση πληροφορίας για τη δεύτερη ιδιότητα.
Τo «τρικ» συνίσταται από το να περνάνε πολωμένο φως μέσα από δύο κρυστάλλους διαφορετικού πάχους. Ο πρώτος, ιδιαίτερα λεπτός κρύσταλλος μετράει «αδύναμα» την οριζόντια και κάθετη κατάσταση πόλωσης, ενώ ο δεύτερος, αρκετά πιο παχύς κρύσταλλος, μετράει «ισχυρά» τη διαγώνιο και αντι-διαγώνιο κατάσταση πόλωσης. Επαναλαμβάνοντας τη διαδικασία πολλαπλές φορές οι επιστήμονες κατάφεραν να συγκεντρώσουν ακριβή στατιστικά και να καταλήξουν σε έναν άμεσο χαρακτηρισμό των καταστάσεων πόλωσης του φωτός.