Η πρώτες "ασθενείς" μετρήσεις, που έγιναν σε κατάσταση οπτικής πόλωσης.

Κάνοντας μια αδύναμη μέτρηση

Φυσικοί στον Καναδά και τις ΗΠΑ ισχυρίζονται ότι είναι οι πρώτοι που έκαναν μια άμεση μέτρηση της πόλωσης σε κβαντική κατάσταση του φωτός - ένας άθλος που με την πρώτη ματιά φαίνεται να αψηφά την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg. Η τεχνική, η οποία βασίζεται σε μια διαδικασία που είναι γνωστή ως ασθενής μέτρηση, θα μπορούσε να βοηθήσει σε θεμελιώδεις μελέτες για την κβαντική μηχανική ή στην ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών.

Στην κβαντική μηχανική, συνήθως θεωρείται αδύνατο να γνωρίζουμε τα πάντα για ένα σύστημα σε μια χρονική στιγμή. Το να μετρήσεις τη θέση ενός σωματιδίου με ακρίβεια, για παράδειγμα και την ορμή του σωματιδίου, ξαφνικά είναι πολύ δύσκολο. Οι φυσικοί θεωρούν ότι ζεύγη μεταβλητών, όπως η θέση και η ορμή «προϊόν σύζευξης»: είναι εγγενώς συνδεδεμένα, έτσι ώστε η μέτρηση του ενός καταστρέφει ουσιαστικά πληροφορίες σχετικά με το άλλο.

Εκ πρώτης όψεως, αυτό το φαινόμενο - το οποίο κατοχυρώνει στην περίφημη αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg - περιορίζει τις πληροφορίες που οι φυσικοί μπορούν να πάρουν από τη μελέτη κβαντικών συστημάτων. Όμως, τα τελευταία 20 χρόνια, έχουν αναπτυχθεί νέες τεχνικές για να πάρουν καλύτερα στοιχεία για την αβεβαιότητα και τα ακριβή όρια που παρουσιάζουν. Γνωστή ως ασθενής μέτρηση αφορά τη λήψη μικροσκοπικών «ματιών» σε κβαντικά συστήματα, έτσι ώστε μπορεί να αποκτήσουμε σιγά-σιγά πληροφορίες, χωρίς να επηρεάζεται σημαντικά το ίδιο το σύστημα.

Η ανασυγκρότηση της κυματοσυνάρτησης

Το 2011, οι φυσικοί στο Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας (NRC), στην Οτάβα του Καναδά, υποστήριξαν ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ασθενή μέτρηση για την ανοικοδόμηση άμεσα της κυματοσυνάρτησης ενός συστήματος, το οποίο περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο ένα κβαντικό σύστημα εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου. Πριν από την ασθενή μέτρηση, οι κυματοσυναρτήσεις είχαν μετρηθεί μόνο έμμεσα με μια τεχνική γνωστή ως κβαντική τομογραφία. Η τελευταία αυτή τεχνική περιλαμβάνει την παραγωγή πολλών διαφορετικών συμβατικών μετρήσεων σε ισοδύναμα κβαντικά συστήματα - μεμονωμένα φωτόνια που προέρχονται από την ίδια πηγή, για παράδειγμα. Αυτές οι πληροφορίες στη συνέχεια σε επεξεργασία για να δημιουργήσουν ένα χάρτη της κβαντικής κατάστασης.

Η τεχνική του ομίλου NRC εμπλέκονται κάνοντας μία "ασθενή" μέτρηση της θέσης ενός φωτονίου, που ακολουθείται από μία "ισχυρή" συμβατική μέτρηση της ορμής του. Με την επανάληψη της διαδικασίας πολλές φορές, οι πληροφορίες που προέκυψαν από τις ασθενείς μετρήσεις επεκτάθηκαν μέχρι οι ερευνητές είχαν πάρει ουσιαστικά την ίδια ποσότητα πληροφοριών από το να κάνουν δύο ισχυρές μετρήσεις. Ως εκ τούτου, ήταν σε θέση να ανακατασκευάσουν την κυματοσυνάρτηση σε μία συνεδρία.

"Δεν είναι απλά μια απροσδόκητη επιτυχία"

Ο Robert Boyd και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Οτάβα και το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ που έχουν κάνει τη δουλειά του NRC με την εφαρμογή ασθενούς μέτρησης σε πολωμένη κατάσταση του φωτός. "Δείχνει ένα δεύτερο παράδειγμα μιας κατάστασης στην οποία απευθείας μέτρηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσδιορίσει μια κβαντική κυματοσυνάρτηση", λέει ο Boyd. "Αυτό δείχνει ότι το προηγούμενο αποτέλεσμα δεν ήταν απλά μια απροσδόκητη επιτυχία."

Η πόλωση του φωτός μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας διαφορετικές ορθογώνιες βάσεις, συμπεριλαμβανομένων των οριζόντιων-καθέτων και διαγώνιων-αντιδιαγώνιων. Όπως και με τη θέση και την ορμή, αυτές οι βάσεις είναι συζυγείς - μια μέτρηση της οριζόντιας-κάθετη πόλωσης, για παράδειγμα, θα πρέπει να καταστρέφει την πληροφορία σχετικά με τη διαγώνια-αντιδιαγώνια πόλωση και αντιστρόφως.

Η ομάδα χρησιμοποίησε ειδικούς λεπτούς κρυστάλλους για να κάνει τις μετρήσεις της. Όταν μία δέσμη φωτός περνά μέσα από ένα τέτοιο κρύσταλλο, το φως εκτρέπεται σύμφωνα με την πόλωση του - με το μέγεθος της εκτροπής, ανάλογα με το πάχος του κρυστάλλου. Ο Boyd και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ένα λεπτό κρύσταλλο για να εκτελέσει μια ασθενή μέτρηση της οριζόντιας-κάθετης πόλωση και στη συνέχεια ένα παχύ κρύσταλλο για να εκτελέσει μια ισχυρή μέτρηση της διαγωνίου-αντιδιαγωνίου πόλωσης. Με την εκτέλεση αυτής της διαδικασίας πολλές φορές για τα ίδια φωτόνια σε μια δέσμη, που θα μπορούσε σταδιακά να δημιουργήσει πλήρη γνώση και των δύο πολώσεων. Στη συνέχεια, αφού συνήγαγε την τιμή της τρίτης, αριστερά ή δεξιά, πόλωσης, θα μπορούσαν να ανακατασκευάσουν την κατάσταση πόλωσης στο ακέραιο.

Ο Jeff Lundeen, ένα μέλος της ομάδας NRC που μέτρησε τη χωρική κυματοσυνάρτηση το 2011, πιστεύει ότι η τελευταία μελέτη είναι σημαντική, διότι η πόλωση είναι μια διακριτή, μεταβλητή "δύο επιπέδων" - σε αντίθεση με τη θέση και την ορμή, η οποία είναι συνεχής. Είναι η δύο επιπέδων φύση της πόλωσης - που ισοδυναμεί με ένα δυαδικό ένα και το μηδέν - που θα προσφέρεται για κβαντικούς υπολογιστές, όπου αποτελεί τη βάση πληροφοριών με κβαντικά bits, ή qubits. Οι τεχνικές του Boyd και των συνεργατών του θα έχει μεγάλο ενδιαφέρον για όσους ασχοληθούν με την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών, λέει ο Lundeen.

Καλόπιστη κβαντική κατάσταση

Ο Howard Wiseman στο Griffith University του Brisbane της Αυστραλίας, θεωρεί το αποτέλεσμα μια "γενίκευση" από το αποτέλεσμα του 2011. Ωστόσο, ο ίδιος επισημαίνει ότι με τον καταναγκασμό ενός συστήματος να αποκαλύψει τη κυματοσυνάρτησή του άμεσα, οι ερευνητές μπορεί να χάσουν μερικές "μαθηματικές απαιτήσεις" που μια καλόπιστη κβαντική κατάσταση θα πρέπει να παρουσιάζει. "Δεδομένου ότι τα πειράματα είναι επιρρεπή σε λάθη, μένει να δούμε πόσο χρήσιμη θα είναι, αυτή η τεχνική " λέει.

Πάντως η ομάδα Boyd ασχολείται και τώρα με βάση την τεχνική της. Οι ερευνητές θα ήθελαν να καταλάβουν πώς μια κβαντική κυματοσυνάρτηση αρχίζει να παραμορφώνεται, όπως όταν ένα φωτόνιο περνά μέσα από αναταράξεις στην ατμόσφαιρα της Γης. "Τέτοιες μετρήσεις απαιτούνται για την εφαρμογή των κβαντικών επικοινωνιών," λέει ο Boyd.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature Photonics .

Πηγή, physicsworld

Απόδοση, Δ. Γιάκας