Στην παρατήρηση κβαντικών σωματιδίων το Νομπέλ Φυσικής

Serge Haroche (l) is based at the College de France and David Wineland is based at the US National Institute for Standards and Technology

Οι δύο φυσικοί που κατάφεραν πρώτοι να παγιδεύσουν μεμονωμένα κβαντικά σωματίδια τιμώνται με το Νόμπελ Φυσικής του 2012, ανακοίνωσε το μεσημέρι της Τρίτης η επιτροπή των βραβείων στη Στοκχόλμη.


Ο Γάλλος Σερζ Αρός και ο Αμερικανός Ντέιβιντ Ουάιλαντ θα μοιραστούν από κοινού το βραβείο «για τις επαναστατικές πειραματικές μεθόδους που επιτρέπουν τη μέτρηση και το χειρισμό μεμονωμένων κβαντικών συστημάτων».

Και οι δύο φυσικοί εργάζονται στον κλάδο της «κβαντικής οπτικής» και μελετούν τις θεμελιώδεις ιδιότητες του φωτός και της ύλης.

Οι έρευνες των Αρός και Ουάιλαντ ανοίγουν ουσιαστικά το δρόμο για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι «ίσως θα αλλάξουν την καθημερινή ζωή μας όπως την άλλαξαν οι κλασικοί υπολογιστές τον περασμένο αιώνα» επισημαίνει η επιτροπή.

Ο Σερζ Αρός (Serge Haroche)γεννήθηκε το 1944 στην Καζαμπλάνκα και ολοκλήρωσε το διδακτορικό του το 1971 στο Πανεπιστήμιο «Πιέρ και Μαρί Κιουρί» του Παρισιού. Είναι σήμερα καθηγητής στο Collège de France και την Ecole Normale Supérieure στο Παρίσι.

Ο Ντέιβιντ Ουάιλαντ (David J. Wineland, ένθετη κάτω δεξιά) γεννήθηκε το 1944 στο Μιλγουόκι και έγινε διδάκτορας του Χάρβαρντ το 1970. Εργάζεται σήμερα στο αμερικανικό Εθνικό Ινστιτούτο Μέτρων και Τεχνολογίας και το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Μπούλντερ.

Το Νόμπελ Φυσικής είναι το δεύτερο βραβείο που ανακοινώνεται αυτή την εβδομάδα. Ακολουθεί την Τετάρτη το Νόμπελ Χημείας.

Κβαντικές παγίδες

Η κβαντική φυσική, ή κβαντομηχανική, είναι ο κλάδος που εξετάζει τη φύση σε μικροσκοπικές, έσχατες διαστάσεις. Σε αυτόν τον παράξενο, σχεδόν παράλογο κόσμο οι νόμοι της κλασικής φυσικής παύουν να ισχύουν και τα κβαντικά φαινόμενα καταλαμβάνουν τον έλεγχο.

Είναι όμως δύσκολο να απομονώσει κανείς μεμονωμένα σωματίδια, όπως τα φωτόνια και τα άτομα, και να μελετήσει τις κβαντικές ιδιότητές τους. Μάλιστα πολλοί πίστευαν κάποτε ότι αυτό θα ήταν αδύνατο -μέχρι που οι Αρός κι Ουάιλαντ απέδειξαν ότι είναι εφικτό.

Και οι δύο φυσικοί εργάζονται στον κλάδο της κβαντικής οπτικής, μελετώντας τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στο φως και την ύλη. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούν είναι ουσιαστικά παρόμοιες: Ο Ουάιλαντ παγιδεύει ιόντα, δηλαδή φορτισμένα άτομα, και τα μελετά χρησιμοποιώντας φωτόνια, δηλαδή φως. Ο Αρός ακολουθεί την αντίθετη προσέγγιση και χρησιμοποιεί άτομα για να εξετάσει παγιδευμένα φωτόνια.

Στο εργαστήριο το Ουάιλαντ στο Κολοράντο, ιόντα αιωρούνται μέσα σε μια παγίδα που τα συγκρατεί με ηλεκτρικά πεδία. Μια δέσμη λέιζερ εισέρχεται στην παγίδα και καταστέλλει τη θερμική κίνηση του ιόντος, δηλαδή το ακινητοποιεί κατά κάποιο τρόπο.

Και οι δύο ερευνητές χρησιμοποιούν παγίδες για να αιχμαλωτίσουν φωτόνια και άτομα και να μετρήσουν τις κβαντικές τους ιδιότητες 

Το εντυπωσιακό είναι όμως ότι ένας προσεκτικά ρυθμισμένος παλμός του λέιζερ μπορεί να φέρει το σωματίδιο σε μια παράξενη κατάσταση στην οποία καταλαμβάνει δύο ενεργειακές στάθμες ταυτόχρονα. Και αυτό είναι μια απόδειξη της «υπέρθεσης», ή «επαλληλίας», κατά το οποίο ένα σωματίδιο βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, είναι θεμελιώδης αρχή της κβαντομηχανικής.

Ο Σερζ Aρός ακολουθεί μια διαφορετική τακτική για να μελετήσει την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη. Στο εργαστήριό του στο Παρίσι, φωτόνια εισάγονται σε μια μικρή κοιλότητα με τοιχώματα που αποτελούνται από τους πιο λείους καθρέπτες του κόσμου -τόσο λείους, ώστε κάθε φωτόνιο μπορεί να διανύσει 40.000 χιλιόμετρα αναπηδώντας στα τοιχώματα, πριν τελικά απορροφηθεί.

Για να ελέγξει και να μετρήσει αυτά τα φωτόνια καθώς αναπηδούν πέρα δώθε, ο Αρός εισάγει στην κοιλότητα ένα άτομο που κινείται με συγκεκριμένη ταχύτητα. Το άτομο αλληλεπιδρά με το φωτόνιο, αλλάζει κβαντική κατάσταση και στη συνέχεια βγαίνει από την άλλη άκρη της παγίδας, οπότε μπορεί να μετρηθεί. Η μέτρηση της μεταβολής της κβαντικής κατάστασης του ατόμου δίνει τελικά πληροφορίες για το ίδιο το φωτόνιο, χωρίς να το καταστρέψει στη διαδικασία.

Το ζόμπι του Σρέντιγκερ

Τα πειράματα των νικητών του φετινού Νόμπελ θα είχαν αφήσει έκπληκτο τον Αυστριακό φυσικό Έρβιν Σρέντιγκερ, έναν από τους θεμελιωτές της κβαντικής φυσικής τον προηγούμενο αιώνα.

«Ποτέ δεν πειραματιζόμαστε με μόνο ένα ηλεκτρόνιο ή άτομο ή μόριο. Ορισμένες φορές υποθέτουμε ότι το κάνουμε σε πειράματα σκέψης, αυτό όμως οδηγεί πάντα σε γελοίες συνέπειες» έγραφε το 1952.

Αυτό που προβλημάτιζε τον Σρέντιγκερ ήταν οι σχεδόν παράλογες συνέπειες των εξισώσεών του, οι οποίες έδειχναν ότι ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Φανταστείτε, είπε, μια γάτα που βρίσκεται απομονωμένη σε ένα κουτί όπου υπάρχει και μια συσκευή απελευθέρωσης ενός δηλητηρίου, η οποία ελέγχεται από ένα κβαντικό σύστημα.

Το κβαντικό σύστημα βρίσκεται σε δύο καταστάσεις, και επομένως και η γάτα βρίσκεται σε δύο καταστάσεις: και ζωντανή και νεκρή ταυτόχρονα. Αυτό όμως είναι αδύνατο να παρατηρηθεί, αφού το άνοιγμα του κουτιού θα διατάρασσε την κβαντική υπέρθεση και θα καθιστούσε τη γάτα είτε ζωντανή είτε νεκρή.

Ο ίδιος ο Σρέντιγκερ ζήτησε αργότερα συγγνώμη για τη σύγχυση που προκάλεσε στη φυσική, τελικά όμως οι Αρός και Ουάιλαντ έδειξαν ότι τέτοιες καταστάσεις υπέρθεσης υπάρχουν και μπορούν να δημιουργηθούν στο εργαστήριο, με φωτόνια ή άτομα που βρίσκονται ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις.

Και, όσο κι αν φαίνεται παράξενο, ο παραλογισμός του Σρέντιγκερ μπορεί να έχει πρακτικές εφαρμογές, μεταξύ άλλων στους κβαντικούς υπολογιστές.

Σε έναν συνηθισμένο υπολογιστή, κάθε κομμάτι πληροφορίας αντιπροσωπεύεται σε bits, κάθε ένα εκ των οποιών μπορεί να φέρει την τιμή «0» ή «1». Σε έναν κβαντικό υπολογιστή, κάθε σωματίδιο θα μπορεί να αντιπροσωπεύει και τις δύο τιμές ταυτόχρονα, εκτοξεύοντας την υπολογιστική δύναμη σε εντυπωσιακές ταχύτητες. Η έρευνα έχει μπροστά της αρκετά χρόνια, αλλά θα μπορέσει να αλλάξει δραστικά την καθημερινότητά μας, όπως έκαναν οι παραδοσιακοί υπολογιστές τις περασμένες δεκαετίες.

Ο Σερζ Αρός δήλωσε σήμερα ότι «δυσκολεύεται να συνειδητοποιήσει» ότι τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής και είπε πως χρειάσθηκε να καθίσει όταν δέχθηκε στη Γαλλία το τηλεφώνημα από τη Βασιλική Ακαδημία Επιστημών της Σουηδίας.

Μετά την επικοινωνία του με την Επιτροπή Νόμπελ, ο 68χρονος φυσικός αφηγήθηκε: «Ήμουν στο δρόμο, περνούσα δίπλα από ένα παγκάκι, και μπόρεσα να καθίσω αμέσως». Είχε δει στο κινητό του τον τηλεφωνικό κωδικό της Σουηδίας και είχε μαντέψει πως θα κέρδιζε το βραβείο.

Μετά το τηλεφώνημα της Ακαδημίας, ειδοποίησε την οικογένειά του και τους στενότερους συνεργάτες του, «χωρίς τους οποίους δεν θα είχα μπορέσει να κερδίσω το βραβείο». «Πρώτα τηλεφώνησα στα παιδιά μου και μετά στους στενότερους συνεργάτες μου. Ο ένας έδινε μια διάλεξη. Του έστειλα γραπτό μήνυμα».

"Είμαι πολύ έκπληκτος», δήλωσε μιλώντας λίγο αργότερα στο τηλέφωνο με το σουηδικό ραδιόφωνο.

"Σκέφτεσαι πάντα ότι μπορεί να συμβεί», πρόσθεσε, «όμως οι πιθανότητες είναι πολύ μικρές».

Ο Σερζ Αρός είπε ότι θα πάει το απόγευμα στο εργαστήριό του και πως λογαριάζει να γιορτάσει το βραβείο του «με σαμπάνια».
Η απονομή του φετινού βραβείου θα γίνει σε τελετή στην Στοκχόλμη στις 10 Δεκεμβρίου, την επέτειο των γενεθλίων του Αλφρεντ Νόμπελ και το χρηματικό βραβείο θα είναι 8 εκατομμύρια σουηδικές κορώνες (περίπου 930.000 ευρώ), μειωμένο κατά 20% σε σχέση με πέρυσι, ελέω οικονομικής κρίσης.

 Aίσθηση προκάλεσε η μη βράβευση του καθηγητή Higgs τη χρονιά του εντοπισμού του διάσημου μποζονίου που φέρει το όνομά του.
Η Ακαδημία δεν συνηθίζει βραβεύσεις ανακαλύψεων την ίδια χρονιά που επιτεύχθηκαν και προτιμά να επιβεβαιώνει τον αντίκτυπό τους στα επόμενα έτη. Μόνο δύο γυναίκες έχουν κερδίσει το βραβείο από το 1901, η Μαρία Κιουρί το 1903 και η Μαρία Γκέπερτ - Μάγιερ εξήντα χρόνια μετά.
Prof. Serge Haroche: Light, atoms and colour, a long journey between art and science from Open Quantum on Vimeo.

Πηγή:ΔΟΛ ΑΜΠΕ Ναυτεμπορική

 http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-19879890
 http://www.nobelprize.org/index.html