Νόμπελ Φυσικής 2012: Έλεγχος σωματιδίων σε ένα κβαντικό κόσμο

11 Οκτωβρίου 2012

Ο Γάλλος Serge Haroche και ο Αμερικανός David J. Wineland μοιράζονται το φετινό Νόμπελ Φυσικής, καθώς είναι αυτοί που επινόησαν «ριζοσπαστικές πειραματικές μεθόδους που επιτρέπουν τη μέτρηση και το χειρισμό μεμονωμένων κβαντικών συστημάτων».

Η δουλειά τους μπορεί να οδηγήσει, μεταξύ άλλων, στην κατασκευή ενός νέου είδους εξαιρετικά γρήγορου ηλεκτρονικού υπολογιστή βασισμένου στην κβαντική φυσική, σύμφωνα με τη Σουηδική Ακαδημία που απένειμε το βραβείο, το οποίο συνοδεύεται από χρηματικό έπαθλο 8 εκατ. κορονών (930.000 ευρώ) στους δύο επιστήμονες.

Στη σχετική ανακοίνωση της Σουηδικής Βασιλικής Ακαδημίας Επιστημών επισημαίνεται ότι: «Οι βραβευθέντες άνοιξαν το δρόμο για μια νέα εποχή πειραματισμού στην κβαντική φυσική, επιτυγχάνοντας την άμεση παρατήρηση μεμονωμένων κβαντικών σωματιδίων χωρίς να τα καταστρέφουν». Πράγματι, οι Serge Haroche (Σερζ Αρός) και David J. Wineland (Ντέιβιντ Τζ. Γουάινλαντ) αν και ακολούθησαν διαφορετικούς δρόμους, κατάφεραν να εφεύρουν μεθόδους που επιτρέπουν την παρατήρηση σωματιδίων με τρόπους που παλαιότερα θεωρούνταν αδιανόητοι.

Όπως είναι γνωστό, μεμονωμένα σωματίδια είναι πολύ δύσκολο να διαχωριστούν από το περιβάλλον τους και «χάνουν τις μυστηριώδεις κβαντικές τους ιδιότητες» μόλις «αλληλεπιδράσουν με τον έξω κόσμο». Λόγω αυτού του προβλήματος, πολλά φαινόμενα που προβλέπονται από την κβαντική φυσική δεν μπορούν να παρατηρηθούν από τους επιστήμονες.

Μέχρι σήμερα υπήρχαν όργανα μέτρησης μέσα στα οποία μπορούσε να αποδειχθεί η ύπαρξη φωτονίων, που όμως στη συνέχεια εξαφανίζονταν. Η συγκεκριμένη ανακάλυψη λοιπόν είναι, όπως την περιγράφει ο Περ Ντέλσινγκ, μέλος της επιτροπής των βραβείων Νόμπελ, «σαν να τρως το γλυκό, αλλά εκείνο να συνεχίζει να υπάρχει».

Οι Haroche και ο Wineland «μέσω των ιδιοφυών εργαστηριακών τους μεθόδων κατόρθωσαν να μετρήσουν και να ελέγξουν πολύ ευαίσθητες κβαντικές καταστάσεις, που προηγουμένως θεωρούνταν απρόσιτες για απ’ ευθείας παρατήρηση», καταλήγει η ανακοίνωση της Σουηδικής Ακαδημίας.

Ο David Wineland κατάφερε να παγιδεύσει ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα (ιόντα), να τα ελέγξει και να πραγματοποιήσει μετρήσεις επάνω τους με τη βοήθεια φωτονίων (δηλαδή του φωτός).

Ένα από τα μυστικά της επιτυχίας του Wineland είναι ο έλεγχος των ακτίνων λέιζερ και η ικανότητα δημιουργίας παλμών λέιζερ. Ένα λέιζερ χρησιμοποιείται για να καταστείλει θερμική κίνηση του ιόντος στην παγίδα, θέτοντας το ιόν στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάστασή του και –συνεπώς- επιτρέποντας τη μελέτη των κβαντικών φαινομένων με το παγιδευμένο ιόν. Ένας προσεκτικά ρυθμισμένος παλμός λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να θέσει το ιόν σε κατάσταση επαλληλίας, η οποία είναι η ταυτόχρονη ύπαρξη σε δύο εντελώς διαφορετικές καταστάσεις.

Ο Serge Haroche ακολουθεί την αντίστροφη διαδρομή: ελέγχει και μετρά παγιδευμένα φωτόνια (σωματίδια – ή αλλιώς κβάντα – φωτός), διαβιβάζοντας άτομα μέσω μιας παγίδας.

Ο Haroche, μαζί με τον συνάδελφό του της Ecole Normale Supérieure (ENS) Jean-Michel Raimond, κατάφερε το 2008 να παρατηρήσει τη μετάβαση από την κβαντική στην κλασική φυσική σ΄ ένα μικρό πακέτο φωτονίων, των σπόρων του φωτός.

Για το πείραμα αυτό, χρησιμοποίησαν μια διάταξη (μια κοιλότητα καλυμμένη με καθρέπτες) ικανή να παγιδεύει φωτόνια για πολύ μεγάλο διάστημα, καθώς και μια μέθοδο παρατήρησης των φωτονίων που δεν τα διαταράσσει παρά πολύ λίγο. Κατάφεραν έτσι να παρατηρήσουν το πέρασμα των φωτονίων από μια άτυπη κατάσταση του κβαντικού κόσμου σε μια κατάσταση που ανταποκρίνεται τέλεια στην κλασική φυσική, ένα φαινόμενο το οποίο αποκαλείται «αποσυνοχή» και εκτυλίχθηκε μπροστά στα μάτια τους.

Από το GPS στους κβαντικούς υπολογιστές

Ο Haroche θεωρεί την κβαντική φυσική βασικό κομμάτι της καθημερινότητάς μας: «Χρησιμοποιούμε καθημερινά την κβαντική φυσική, χωρίς να το γνωρίζουμε» λέει ο γάλλος επιστήμονας. Οι τελευταίες έρευνες αποτελούν κίνητρο βελτίωσης των ρολογιών κβαντικής λογικής, που μετρούν με μεγάλη ακρίβεια το χρόνο, με βάση το φως το οποίο εκπέμπουν τα σωματίδια όταν ταλαντώνονται. Αυτήν την τεχνική χρησιμοποιούν τα συστήματα GPS, που τοποθετούνται στα αυτοκίνητα για να προσδιορίσουν τη θέση του οχήματος. Από το χρόνο που απαιτείται για να σταλεί το σήμα από το αμάξι στο δορυφόρο και πάλι πίσω, υπολογίζεται η θέση του αυτοκινήτου. Η απόλυτη ακρίβεια είναι επομένως απαραίτητη.

Υπάρχουν όμως και άλλα πεδία εφαρμογής: η επιτροπή των βραβείων πιστεύει ότι ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να φέρει μια επανάσταση στην καθημερινότητά μας, με τρόπο αντίστοιχο με αυτόν που ο «κλασικός» υπολογιστής έφερε τη δική του επανάσταση τον 20ο αιώνα. Ο κβαντικός υπολογιστής θα μπορεί να επεξεργάζεται περισσότερες πληροφορίες.

Οι βραβευθέντες έχουν ήδη σχεδιάσει δύο μοντέλα, που θεωρούνται και τα επικρατέστερα μεταξύ των υποψηφίων προς κατασκευή. Εάν τελικά ένα από τα δυο μοντέλα οδηγήσει στην κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή, λέγεται ότι οι επιστήμονες μπορεί να βραβευθούν και με δεύτερο βραβείο Νόμπελ!

Serge Haroche
Collège de France και Ecole Normale Supérieure, Paris, France
Γεννήθηκε το 1944 στην Καζαμπλάνκα και πήρε τον τίτλο του διδάκτορα (Ph.D.) το 1971, από το πανεπιστήμιο Pierre et Marie Curie (Παρίσι). Κατέχει την έδρα της Κβαντικής Φυσικής στο Collège de France.
David J. Wineland
NationalInstituteofStandardsand Technology (NIST) καιUniversity of Colorado Boulder,CO,USA
Γεννήθηκε το 1944 στο Μίλγουοκι των ΗΠΑ και πήρε τον τίτλο του διδάκτορα (Ph.D.) το 1970, από το πανεπιστήμιο Harvard(ΗΠΑ)

Συντάχθηκε από το δημοσιογραφικό επιτελείο της ΠΕΜΠΤΟΥΣΙΑΣ με στοιχεία από τα: www.nobelprize.org, physicsgg.wordpress.com, www.dw.de, www.skai.gr, www.tvxs.gr