Κβαντική Φυσική

«Η φύση δεν κάνει τίποτε το άσκοπο, τίποτε το περιττό» – Αριστοτέλης

Από τις αρχές κιόλας του 20ου αιώνα, η ανάγκη της ανθρωπότητας για εξέλιξη της τεχνολογίας και συνεπώς των θετικών επιστημών, αποτέλεσε κίνητρο για τους επιστήμονες να ασχοληθούν πιό σχολαστικά με διάφορα φαινόμενα ή καταστάσεις της ύλης. Σε αυτή τη στροφή προς την εξέταση του μικρόκοσμου όμως, η φυσική θεώρηση που δέσποζε μέχρι τότε, δηλαδή η κλασσική φυσική, παρουσίαζε σοβαρά ρήγματα. Αυτά τα προβλήματα αναδεικνύονταν κατά τη διεξαγωγή διάφορων πειραμάτων, όπως στη μελέτη πολύ μικρών μεγεθών (ατομικού μεγέθους) ή ακαριαίων γεγονότων (έρευνες για την ταχύτητα του φωτός), καθιστώντας τη φυσική του Νεύτωνα και του Γαλιλαίου ανίκανες να εξηγήσουν τα αντίστοιχα αποτελέσματα. Έτσι λοιπόν, δημιουργήθηκε η κβαντομηχανική, δηλαδή η μελέτη της ύλης και της ακτινοβολίας σε ατομικό επίπεδο (ορισμός).
Η θεωρία της κβαντικής φυσικής θα πρέπει να τονιστεί ότι δεν απορρίπτει τη Νευτώνεια ή κλασσική φυσική. Η δεύτερη, μέχρι και σήμερα δίνει σαφείς απαντήσεις σε φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στο μακρόκοσμο, εφόσον φυσικά εξετάζουμε μεγάλα μεγέθη και σε μικρές ταχύτητες. Επιπλέον, η κλασσική φυσική είναι ένα πεδίο που μπορεί εύκολα να μελετηθεί και να κατανοηθεί, σε αντίθεση με τη κβαντομηχανική και τη θεωρία της σχετικότητας που, όχι μόνο είναι δύσκολες σαν έννοιες, αλλά και συνοδεύονται με επισταμένη χρήση προχωρημένων μαθηματικών. Αν μπορούσαμε να κάνουμε μια σύγκριση της κβαντομηχανικής με τη Νευτώνεια, θα λέγαμε ότι η πρώτη είναι μια γενικότερη θεώρηση που επεκτείνει και διορθώνει τη δεύτερη. Εδώ μάλιστα θα πρέπει να αναφερθεί και η αρχή της αντιστοιχίας του Μπορ, κατά την οποία σε μερικές περιπτώσεις οι νόμοι που διέπουν κάποια κβαντικά φαινόμενα, συγκλίνουν με αυτούς της κλασσικής.

Παλιά και νέα κβαντική θεωρία
Όπως προαναφέρθηκε, οι νόμοι της κλασσικής φυσικής είναι απλά μια ωχρή αντανάκλαση, μια ακραία περίπτωση των νόμων που διέπουν το μικρόκοσμο της κβαντικής φυσικής. Αυτή η βαθμιαία συγκέντρωση και η κατόπιν η διατύπωση σε μια ενιαία θεωρία είναι ένα από τα σημαντικότερα κατορθώματα της σύγχρονης επιστήμης. Αυτή η διαδικασία συγκέντρωσης και διατύπωσης μπορεί να χωριστεί ιστορικά σε δύο φάσεις, από τις οποίες απορρέει και η σύνδεση της παλιάς με τη νέα κβαντική θεωρία.
Η πρώτη φάση που αρχίζει το κάπου στο 1900 με την εισαγωγή των κβάντα από τον Planck, φτάνει στο ζενίθ της με το άτομο του Μπορ το 1913 και τελειώνει το 1923, καλύπτει την ανάπτυξη της παλιάς κβαντικής φυσικής θεωρίας. Αυτή η εποχή μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μεταβατικό στάδιο μεταξύ της κλασσικής φυσικής και της σύγχρονης κβαντομηχανικής που θεμελιώθηκε μεταξύ 1924 και 1927 και αποτελεί τη δεύτερη φάση. Η πρώτη φάση θεωρείται μεταβατικό στάδιο γιατί αποτελείται μεν από μη κλασσικές παραδοχές (π.χ. κβάντωση) αλλά σε ένα καθαρά κλασσικό εννοιολογικό πλαίσιο.
«Η κβαντική θεωρία μου προκαλεί αισθήματα τελείως παρόμοια με τα δικά σου. Θα ‘πρεπε κανείς στ’ αλήθεια να ντρέπεται για τέτοιες επιτυχίες, αποκτημένες με τη βοήθεια του Ιησουίτικου κανόνα “Μή γνώτω η αριστερά σου τί ποιεί η δεξιά σου”.» έλεγε ο Αϊνστάιν το 1919 σε γράμμα του στον Μ. Born, κριτικάροντας την παλιά κβαντική θεωρία, ενώ ο Schrodinger αναφέρει σε παρόμια συνομιλία με τον Bohr «Αν αυτά τα καταραμένα κβαντικά άλματα πρόκειται στ’αλήθεια να παραμείνουν στη Φυσική, τότε εγώ το μετανοιώνω που ανακατεύτηκα ποτέ μου με την Κβαντική Θεωρία.».

Πέντε θεμελιώδεις προτάσεις της Κβαντομηχανικής
• Μαθηματική περιγραφή των φυσικών καταστάσεων
Σε κάθε πραγματοποιήσιμη κατάσταση ενός φυσικού συστήματος αντιστοιχεί μια τετραγωνικά ολοκληρώσιμη κυματοσυνάρτηση. Η κυματοσυνάρτηση περιέχει όλες τις πειραματικά διαπιστώσιμες πληροφορίες για την κατάσταση του φυσικού συστήματος.
• Μαθηματική περιγραφή των φυσικών μεγεθών
Σε κάθε φυσικό μέγεθος αντιστοιχεί ένας γραμμικός Ερμιτιανός τελεστής που κατασκευάζεται από την κλασσική έκφραση του μεγέθους και του οποίου οι ιδιοτιμές είναι τα μοναδικά δυνατά αποτελέσματα μιας μέτρησης.
• Στατιστική ερμηνεία του φορμαλισμού
Η ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης είναι, σύμφωνα με την Σχολή της Κοπεγχάγης, μια στατιστική ερμηνεία.
• Ο νόμος της κβαντικής μέτρησης
Η κατάσταση του φυσικού συστήματος μετά από μια μέτρηση δίδεται από την ιδιοσυνάρτηση της ιδιοτιμής που μετρήθηκε.
• Ο κβαντικός νόμος της κίνησης
Η χρονική εξέλιξη της κατάστασης ενός κβαντομηχανικού συστήματος καθορίζεται από την εξίσωση του Schr?dinger.

Η κβαντική θεωρία θεμελιώθηκε από διακεκριμένους φυσικούς όπως ο Αϊνστάιν, ο Μπορ, ο Χάιζενμπεργκ, ο Σρέντιγκερ, ο Παουλί, ο Πλανκ και άλλοι…*
Ως τα έξι κύρια πεδία όπου επεμβαίνει η κβαντική φυσική, προς αδυναμία της κλασσικής, είναι:

Α) Η διακριτότητα (κβάντωση) της ενέργειας
Β) Η δυαδικότητα του φωτός και της ύλης
Γ) Ο κβαντικός εναγκαλισμός
Δ) Η κβαντική σήραγγα
Ε) Η κβαντική τηλεμεταφορά
Στ) Κβαντικοί Υπολογιστές

Α) Τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε διακεκριμένες ενεργειακές στάθμες μέσα στο άτομο. Όταν κατά την αποδιέγερσή τους από μια υψηλή ενεργειακή στάθμη μεταπηδούν προς μια χαμηλότερη, εκπέμπουν ένα φωτόνιο το οποίο σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας, έχει ενέργεια που αντιστοιχεί στη ακριβή ενεργειακή διαφορά εκείνων των δύο ενεργειακών επιπέδων. Αυτό όμως προϋποθέτει ότι τα ηλεκτρόνια υπάρχουν μόνο σε συγκεκριμένα ενεργειακά πεδία, αλλιώς σύμφωνα με την κλασσική φυσική θα κινούνταν με σπειροειδή πορεία προς τον πυρήνα. Το γεγονός ότι υπάρχουν διακριτές τιμές για τα επίπεδα των ενεργειακών επιπέδων, μαζί με άλλες «κβαντισμένες» ατομικές ιδιότητες, αποτελούν και την κβάντωση της ενέργειας. Η κβάντωση είναι μια ιδέα-κλειδί για την κβαντική θεωρία καθώς με αυτήν λύνεται το μυστήριο της ατομικής σταθερότητας.

Β) «Είναι ένα αναντίρρητο γεγονός ότι υπάρχει μια εκτεταμένη συλλογή δεδομένων για την ακτινοβολία που δείχνουν ότι, το φως έχει ορισμένες θεμελιώδεις ιδιότητες, που μπορούν να κατανοηθούν πολύ πιό εύκολα από τη σκοπιά της σωματιδιακής θεωρίας του Νεύτωνα παρά από τη σκοπιά της κυματικής θεωρίας. Επομένως, κατά τη γνώμη μου, η επόμενη φάση ανάπτυξης της Θεωρητικής Φυσικής θα μας οδηγήσει σε μια θεωρία για το φως, που θα μπορεί να ερμηνευθεί σαν ένα είδος συγκερασμού της κυματικής και σωματιδιακής εικόνας.» – A. Einstein (1909)
Κατά την εξέλιξη των ερευνών των επιστημόνων, δημιουργήθηκε ένα μεγάλο χάσμα μεταξύ τους ως προς τη φύση του φωτός και της ύλης. Το 1690 ο Huygens υποστήριξε την κυματική φύση του φωτός βρίσκοντας υποστηρικτές τον Maxwell, τον Hertz, τον Young και άλλους, ενώ το 1704 ο Newton υποστήριξε τη σωματιδιακή φύση του φωτός (κάτι που είχαν υποστηρίξει και κάποιοι αρχαίοι έλληνες φιλόσοφοι), βρίσκοντας υποστηρικτές τον Αϊνστάιν, τον Planck και άλλους. Ο Luis De Broglie μάλιστα το 1923 απέδειξε μαθηματικά πως ένα υλικό σωματίδιο θα μπορούσε να συμπεριφερθεί σαν κύμα, κάτι που απέδειξαν και πειραματικά οι Davisson και Germer το 1927. Πώς γίνεται όμως κάτι να έχει τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά ενός κύματος και ενός σωματιδίου ταυτόχρονα;
Αυτό το ερώτημα καλύπτει η δυαδικότητα που πρεσβεύει η κβαντική φυσική, αποδεχόμενη και τις δύο φύσεις του φωτός και των σωματιδίων. Αναφέρει δηλαδή πως το φως και η ύλη υπάρχουν μεν ως σωματίδια αλλά η πιθανότητα να βρεθεί αυτό το σωματίδιο σε διάφορες θέσεις χαρακτηρίζει και την κυματική του συμπεριφορά. Το φως που εμφανίζεται μερικές φορές να ενεργεί σαν κύμα (Κύμα εξ ορισμού ονομάζεται κάθε διαταραχή που μεταφέρει ενέργεια και ορμή με ορισμένη ταχύτητα σε ελαστικό μέσο), οφείλεται στο ότι παρατηρούμε την συσσώρευση πολλών από τα σωματίδια του φωτός (κβάντα), κι έτσι διαμοιράζονται πάρα πολύ οι πιθανότητες για διαφορετικές θέσεις στις οποίες κάθε σωματίδιο θα μπορούσε να υπάρχει. Χονδρικά, αναφερόμενοι στη διπλή υπόσταση του φωτός, μπορούμε πλέον να λέμε πως το φως είναι κύμα όσο δεν ανιχνεύται (όταν δεν αποτελεί αντικείμενο μελέτης δηλαδή) είναι κύμα, ενώ όταν ανιχνεύεται/μελετάται, παύει να είναι κύμα και συμπεριφέρεται ως σωματίδιο.
Σε αυτό το σημείο κρίνεται σκόπιμο να αναφερθεί η Αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg. Αυτή η αρχή δηλώνει την αδυναμία ταυτόχρονης μέτρησης της θέσης και της ορμής ενός σωματιδίου σε μια δεδομένη στιγμή. Είναι βέβαια δυνατόν να γνωρίζουμε το ένα από τα δύο μεγέθη (δηλ. την ορμή ή τη θέση) αλλά όχι και τα δύο. Αυτή η αρχή μάλιστα, πέρα από το ότι είναι ένα από τα σημαντικότερα «εργαλεία» της κβαντικής φυσικής, συνδέεται άμεσα και με την ιδέα της συμπληρωματικότητας του Μπορ, κατά την οποία η μέτρηση μιας μεταβλητής καθιστά αυτομάτως μη μετρήσιμη κάποια άλλη.

Γ) Αρχικά, πριν μιλήσουμε για τον κβαντικό εναγκαλισμό θα πρέπει να αναφέρουμε κάποιες άλλες πληροφορίες όπως το ότι ένα σωμάτιο είναι δυνατόν να βρίσκεται ταυτόχρονα σε περισσότερες από μια κβαντικές καταστάσεις (ή ιδιοσυναρτήσεις) που αντιστοιχούν στις συγκεκριμένες τιμές (ιδιοτιμές) ενός μεγέθους (π.χ. της ορμής). Αυτό λέγεται υπέρθεση ή επαλληλία καταστάσεων. Στην προσπάθεια μέτρησης μιας ποσότητας, το πείραμα θα εξάγει μια συγκεκριμένη τιμή καθώς θα προκληθεί κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης κατά την ορθόδοξη ερμηνεία της κβαντικής.
Ο Schrodinger διαφώνησε με την ορθόδοξη αυτή ερμηνεία διατυπώνοντας το περίφημο πείραμα σκέψης (θεωρητικό πείραμα) της «γάτας του Schrodinger», το οποίο και αποτελεί ένα πολύ καλό παράδειγμα για να κατανοηθεί το φαινόμενο της επαλληλίας καταστάσεων.
Αυτό το πείραμα μας λέει για μια γάτα μέσα σε ένα κουτί μαζί με άτομο που έχει τη δυνατότητα εκπομπής ακτινοβολίας. Όταν αυτό το άτομο εκπέμπει ακτινοβολία, τότε λόγω κάποιας σύνδεσης σπάει μια φυάλη με δηλητηριώδες αέριο που αυτομάτως σκοτώνει τη γάτα. Το άτομο όμως είναι ένα κβαντικό σύστημα το οποίο βρίσκεται στην επαλληλία καταστάσεων εκπομπής και μη εκπομπής (δηλ. 50-50 οι πιθανότητες να εκπέμψει ή όχι ακτινοβολία). Αν βάλουμε ένα χρονικό περιθώριο μιας ώρας σε αυτό το άτομο να εκδηλωθεί, μετά το πέρας αυτής της ώρας, αν δεν ανοίξουμε το κουτί, η γάτα θα είναι και ζωντανή και νεκρή, πράγμα φυσικά αδύνατον. Όταν ανοίξουμε το κουτί (και καταρρεύσει η κυματοσυνάρτηση εξαιτίας της μέτρησης ή με άλλα λόγια, «κατασταφεί» η υπέρθεση), η γάτα θα είναι ή μόνο ζωντανή ή μόνο νεκρή, όχι όμως και τα δύο. Στην κβαντική φυσική, αυτή η υπόθεση δεν είναι καθόλου παράλογη καθώς το σύστημα πριν τη μέτρηση (πριν ανοίξουμε το κουτί) μπορεί να βρίσκεται στην υπέρθεση δύο μικροκαταστάσεων. Μόνο μετά τη μέτρηση περιγράφεται αποκλειστικά η μία από τις δύο καταστάσεις.
Κάπως έτσι φτάνουμε στον κβαντικό εναγκαλισμό, ο οποίος μας λέει πως σε ένα σύστημα το οποίο αποτελείται από ένα ή περισσότερα υποσυστήματα, δεν μπορούμε να αποδώσουμε μια συγκεκριμένη κβαντική κατάσταση στο κάθε υποσύστημα τη στιγμή που τα αντίστοιχα σωμάτια δεν έχουν δικές τους ιδιότητες. Αν επιχειρήσουμε να κάνουμε μέτρηση του ενός, επιφέρεται αυτομάτως η αλλαγή των ιδιοτήτων του άλλου, όσο μακριά και αν είναι το ένα από το άλλο.
Το παραπάνω οδήγησε στο παράδοξο EPR φαινόμενο, ένα πείραμα σκέψης που πήρε το όνομά του από τους δημιουργούς του Einstein Podolsky και Rozen το 1935 και το οποίο αναφερόταν σε αυτή τη δράση εξ αποστάσεως μεταξύ των εναγκαλισμένων σωμάτιων. Βέβαια, αυτό το φαινόμενο δεν αμφισβητεί την πληρότητα της κβαντομηχανικής, όπως πίστευε ο Αϊνστάιν, αλλά την επεκτείνει (όπως αποδείχτηκε πειραματικά κατά τη δεκαετία του ’80).

Δ) Ένα φαινόμενο που προσωπικά θεωρώ από τα πιό ενδιαφέροντα και σημαντικά της κβαντικής φυσικής είναι η κβαντική σήραγγα. Χωρίς αυτήν, όχι μόνο θα ήταν αδύνατη η λειτουργία των κινητών τηλεφώνων, αλλά δε θα υπήρχαν και τα σημερινά chips που απαρτίζουν έναν σημερινό ηλεκτρονικό υπολογιστή, έτσι όπως τα ξέρουμε τουλάχιστον.
Ένα κύμα καθορίζει την πιθανότητα της θέσης ενός σωματιδίου. Όταν αυτό το κύμα αντιμετωπίσει ένα ενεργειακό φράγμα, η κβαντική σήραγγα μας λέει ότι το μεγαλύτερο μέρος του θα ανακλαστεί, ωστόσο, ένα μικρό μέρος του θα διαρρεύσει μέσα στο φράγμα. Το κύμα που διέρρευσε από αυτό το φράγμα θα συνεχίσει τη διάδοσή του στην άλλη πλευρά του φράγματος. Το ενδιαφέρον εδώ είναι πως ακόμη κι αν το σωματίδιο έχει πολύ μικρή ενέργεια για να ξεπεράσει το φράγμα, είναι πιθανό (μικρή πιθανότητα βέβαια) να δημιουργήσει μια σήραγγα μέσα σε αυτό. Αυτό το φαινόμενο βέβαια είναι αρκετά σπάνιο να συναντηθεί στο μακρόκοσμο (π.χ. μια μπάλα δε μπορεί να διαπεράσει έναν τοίχο χωρίς να του προκαλέσει φθορά), αλλά στο μικρόκοσμο (π.χ. με τη μορφή ενός ηλεκτρονίου) είναι μια σύνηθης διαδικασία.

Ε) Μπορεί η τηλεμεταφορά γενικά ως θέμα να απασχολεί πολλούς συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας, ωστόσο, οι επιστήμονες μας προσγειώνουν υποστηρίζοντας ότι κάτι τέτοιο δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε μακροσκοπικό επίπεδο (π.χ. τηλεμεταφορά ανθρώπων ή πλοίων – βλέπε πείραμα της Φιλαδέλφειας). Παρ’ολ’αυτά, σε υποατομικό επίπεδο, η κβαντική τηλεμεταφορά είναι κάτι το οποίο θα μπορούσαμε να πούμε ότι έχει επιτευχθεί. Τί εννοούμε όμως με την τηλεμεταφορά;
Φανταστείτε μια μηχανή fax (πομπός) που στέλνει ακριβή αντίγραφα τρισδιάστατων πληροφοριών/αντικειμένων σε μια άλλη μηχανή (δέκτης), αφού καταστρέψει το πρωτότυπο αντικείμενο κατά τη συλλογή των πληροφοριών που το διέπουν. Κατόπιν, ο δέκτης θα διατάξει αυτές τις πληροφορίες ακριβώς στην ίδια θέση με το πρωτότυπο χρησιμοποιώντας κατά προτίμηση το ίδιο υλικό ή έστω άτομα του ίδιου είδους. Γίνεται όμως αυτό;
Μέχρι τη δεκαετία του ’90, αυτή η σκέψη «φόβιζε» τους επιστήμονες λόγω του ότι ένα τέτοιο εγχείρημα θα παραβίαζε την αρχή της αβεβαιότητας που προαναφέρθηκε. Πώς μπορείς να έχεις ακριβείς πληροφορίες για ένα αντικείμενο (ή σωματίδιο) τη στιγμή που η αρχή της αβεβαιότητας στο απαγορεύει; Κι όμως μπορείς… με την περιπλοκή!
Η περιπλοκή είναι ένα «τέχνασμα», ένας θεωρητικός τρόπος χρησιμοποίησης της κβαντικής μηχανικής για να παρακαμφθουν οι περιορισμοί της αρχής της αβεβαιότητας, χωρίς όμως να παραβιαστεί η ίδια. Η ομάδα που «βρήκε» την αρχή της περιπλοκής αποτελούνταν από τους Charles H. Bennett από την IBM , τους Gilles Brassard, Claude Crepeau και Richard Josza από το πανεπιστήμιο του Montreal, από τους Asher Peres από το τεχνολογικό ινστιτούτο του Israel και τον William K. Wootters από το Williams College. Για να γίνει κατανοητή η περιπλοκή, παίρνουμε το «γνωστό» παράδειγμα των ζαριών: Έχουμε μπροστά μας πολλά ζευγάρια ζαριών. Ρίχνουμε το πρώτο ζεύγος και έρχονται και τα δύο 4, ρίχνουμε το επόμενο ζεύγος και έρχονται και τα δύο 1 κ.ο.κ. Αυτό συμβαίνει σε κάθε ζεύγος ζαριών που ρίχνουμε. Το ένα ζάρι είναι τυχαίο και απείραχτο, το άλλο όμως δίνει πάντα το ίδιο αποτέλεσμα με το ζεύγος του. Όσο περίεργη και αν ακούγεται αυτή η συμπεριφορά των ζαριών στο μακρόκοσμο, έχει αποδειχτεί πειραματικά ότι υφίσταται μεταξύ σωματιδίων. Σε αντιστοιχία με τους αριθμούς των ζαριών, ζεύγη σωματιδίων είναι δυνατόν να παίρνουν στοιχεία, όπως φυσικές ιδιότητες (π.χ. πολικότητα) το ένα από το άλλο. Φυσικά, αυτό συνδέεται άμεσα με το παράδοξο φαινόμενο EPR της κβαντομηχανικής που προαναφέρθηκε!
Με την περιπλοκή ή τη «συσχέτιση» (όρος που έθεσε ο Schroedinger για το παράδοξο EPR) ως κύρια εφόδια, οι επιστήμονες διεξήγαγαν τρία -επίσημα- πειράματα κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ’90. Εκτός από αυτά τα τρία για τα οποία υπάρχει κατατοπιστικότατη αναφορά στην ιστοσελίδα physics4u, άλλες έρευνες πάνω στην κβαντική τηλεμεταφορά έγιναν τον Δεκέμβριο του 1997, όπου δύο ερευνητικές ομάδες, μια στην Αυστρία και μια στη Ρώμη, εξέθεσαν τα επιτυχή πειράματα τηλεμεταφοράς…

Στ) «Μόνο ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να προσομοιώσει αποτελεσματικά τα κβαντικά συστήματα»  – R. Feynman
Η παραπάνω πρόταση του Feynman ήταν η πρώτη αναφορά στους κβαντικούς υπολογιστές το 1982, ενώ λίγο αργότερα, το 1985, ο Deutsch διατύπωσε τους κανόνες με τους οποίους θα λειτουργούσε μια υπολογιστική μηχανή βασισμένη στην κβαντική φυσική. Μιας και τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια ραγδαία αύξηση των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων λόγω της ανάγκης για γρήγορη επεξεργασία και διακίνηση των πληροφοριών, η δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή (Quantum computing) φαντάζει μια πολύ ενδιαφέρουσα πρόκληση. Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι απαραίτητη προυπόθεση για τη δημιουργία των κβαντικών πυλών λογικής μέσα στους κβαντικούς υπολογιστές, στις οποίες θα γίνεται η επεξεργασία των πληροφοριών. Υπολογίζεται ότι με τα qubits, έννοια αντίστοιχη με τα σημερινά bits, οι υπολογιστικές μηχανές θα μπορούν να κάνουν μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα τεράστιους υπολογισμούς που με τους σημερινούς υπολογιστές θα χρειάζονταν δισεκατομμύρια ημέρες. Αυτό οφείλεται στο ότι η τιμή ενός qubit μπορεί να ειναι 0 και 1 ταυτόχρονα! Το εμπόδιο βέβαια στη δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή είναι το κριτήριο του Rayleigh**, μια βασική αρχή της οπτικής σύμφωνα με την οποία δε μπορεί να κατασκευαστεί ένα microchip μικρότερο των 124 nanometers. Θεωρητικά, αυτό το εμπόδιο στην πρόοδο γίνεται να ξεπεραστεί με τη χρήση πεπλεγμένων φωτονίων τα οποία θα μπορούν να συμπεριφέρονται σαν ένα (κατά συνέπεια κάποιων κβαντικών νόμων που λένε ότι τα πεπλεγμένα φωτόνια έχουν ως σύστημα το μισό μήκος κύματος από ό,τι έχουν ως ατομικά σωματίδια) και ως αποτέλεσμα, θα μπορούν να κατασκευαστούν chips μικρότερα των 64 nanometers. Ακόμη κι αυτό να γίνει όμως, παρουσιάζονται κι άλλα προβλήματα, με σημαντικότερο αυτό της αποσυνέπειας, κατά την οποία μικρές αλληλεπιδράσεις με εξωτερικούς (ή και εσωτερικούς) περιβαλλοντικούς παράγοντες οδηγούν σε μη κβαντική συμπεριφορά χωρίς εναγκαλισμό, και συνεπώς δυσλειτουργία του κβαντικού υπολογιστή. Παρ’ολ’αυτά, οι επιστήμονες μελετούν πάνω στο να ξεπεραστούν αυτά τα εμπόδια και δεν αποκλείεται μέχρι το τέλος της δεκαετίας να παρουσιάσουν τον πρώτο κβαντικό υπολογιστή.

Σχόλια:
Συμπερασματικά, θα μπορούσαμε να πούμε ότι η κβαντική φυσική είναι μια σύγχρονη προσέγγιση των νόμων που διέπουν το σύμπαν, με όλα τα παράδοξα και τις ερμηνείες που τη διέπουν. Μέσα από αυτό το άρθρο επιχειρήθηκε μια σύντομη και σχετικά εκλαϊκευμένη προσέγγιση στα κυριότερα σημεία που χαρακτηρίζουν τη θεωρία της κβαντομηχανικής, αλλά σε καμία περίπτωση δεν μπορούμε να πούμε ότι καλύψαμε όλο το φάσμα των νόμων, των ερευνών αλλά και των πρακτικών εφαρμογών της.

*Albert Einstein, βραβευμένος με Νόμπελ φυσικής το 1921 για τις υπηρεσίες του στον κλάδο, και ιδιαίτερα για την ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου
Niels Henrik David Bohr, βραβευμένος με Νόμπελ φυσικής το 1922 για την έρευνά του πάνω στο ατομικό πρότυπο.
Werner Karl Heisenberg, βραβευμένος με Νόμπελ φυσικής το 1932 για τη συμβολή του στην κβαντομηχανική
Erwin Schr?dinger, βραβεύτηκε με Νόμπελ φυσικής μαζί με τον Paul Adrien Maurice Dirac το 1933 για την ανακάλυψη αποδοτικών τύπων για την ατομική θεωρία.
**Lord Rayleigh Καθηγητής πειραματικής φυσικής στο Καίμπριτζ, ανακάλυψε το Αργόν, τιμήθηκε με βραβείο Νόμπελ το 1904.

Πηγές:

• Στέφανος Τραχανάς – Κβαντομηχανική Ι (πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης, έκδοση 7)

• Σπύρος Ευαγγέλου – Κβαντική Φυσική (πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 2001)

• Φυσική Γενικής Παιδείας Γ’ Λυκείου

• Physics4u

• Wikipedia