Συσκευή ελέγχου βόμβας Elitzur-Vaidman

Είναι τρομακτική η σκέψη να πυροδοτηθεί μια βόμβα από ένα μόνο φωτόνιο. Εάν ένα τέτοιο γεγονός υπήρχε στον κλασικό κόσμο, ούτε θα το είχατε καταλάβει ποτέ. Κάθε φωτόνιο που θα εισερχόταν στο μάτι σας για να σας το πει, ήδη θα είχε προκαλέσει την έκρηξη της βόμβας, ενώ εσείς θα αναχωρούσατε για την αιώνια βασιλεία.

Με την κβαντική φυσική, θα είχατε μια καλύτερη τύχη. Σύμφωνα με ένα σχήμα που προτάθηκε από τους...
Ισραηλινούς φυσικούς Avshalom Elitzur και Lev Vaidman το 1993, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα κβαντικά κόλπα για την ανίχνευση μιας βόμβας, που πυροδοτήθηκε από φως, με φως – και να παραμείνετε ζωντανός με εγγύηση 25%.

Το ακόλουθο παράδειγμα παρουσιάζει το πρόβλημα της διαλογής των καλών από τις σκάρτες βόμβες : Θεωρείστε μια συλλογή από βόμβες, ορισμένες από τις οποίες είναι ελαττωματικές και δεν μπορούν να σκάσουν.

Οι βόμβες που λειτουργούν σωστά μπορούν να ενεργοποιηθούν από ένα και μόνο φωτόνιο, οπότε όταν το απορροφήσουν εκρήγνυνται (κάτω εικόνα).

Οι ελαττωματικές βόμβες δεν θα απορροφήσουν το φωτόνιο. Το πρόβλημα είναι πώς θα διαχωριστούν οι καλές από τις ελαττωματικές βόμβες. Μια σκέψη θα ήταν να μαζέψουμε τις ελαττωματικές βόμβες, βλέποντας αν μπορούν να εκραγούν μία προς μία. Δυστυχώς, αυτή η διαδικασία καταστρέφει όλες τις βόμβες που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε (τις καλές).

Ας εξετάσουμε τώρα μια ελαφρά παραλλαγή αυτής της μεθόδου: ένα κάτοπτρο που συνδέεται με ένα έμβολο και το οποίο συνδέεται με τον πυροκροτητή. Ένα φωτόνιο που προσκρούει πάνω στο κάτοπτρο σπρώχνει το έμβολο και τότε προκαλείται η έκρηξη της βόμβας. Οι ελαττωματικές βόμβες – που δεν μπορούν να σκάσουν – είναι εκείνες στις οποίες το «έμβολο» έχει κολλήσει, έτσι ώστε ακόμη και αν ένα φωτόνιο κτυπήσει το κάτοπτρο, το έμβολο δεν πιέζει την βόμβα, και έτσι δεν γίνεται έκρηξη.

Η ιδιότητα αυτή είναι σημαντική, επειδή φαίνεται ότι μια ελαττωματική βόμβα ουσιαστικά ανακλά προς τα πίσω το φωτόνιο (πάνω εικόνα). Και στο σενάριο της καλής βόμβας το φωτόνιο στην πραγματικότητα ποτέ δεν κτυπά το κάτοπτρο της βόμβας, είναι σαν το φωτόνιο να έφυγε μέσα από ένα άλλο δρόμοι (υπάρχει δηλαδή μία "μηδενική" μέτρηση του φωτονίου).

Μια λύση για αυτόν τον διαλογέα των βομβών είναι να χρησιμοποιήσει έναν τρόπο παρατήρησης που είναι γνωστός ως η αντίστροφη μέτρηση, και η οποία βασίζεται στις ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής.

Ξεκινήστε με ένα συμβολόμετρο Mach-Zehnder και μια πηγή φωτός που εκπέμπει ένα μόνο φωτόνιο (κάτω εικόνα). Όταν ένα φωτόνιο που εκπέμπεται από την πηγή φωτός φθάσει ένα ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο, έχει ίσες πιθανότητες να διέλθει μέσα από το κάτοπτρο ή να ανακλαστεί. Στη μία διαδρομή, τοποθετούμε μια βόμβα (Β) που συναντάει το φωτόνιο. Αν η βόμβα λειτουργεί σωστά, τότε το φωτόνιο απορροφάται και ενεργοποιεί την βόμβα. Αν η βόμβα είναι ελαττωματική, τότε το φωτόνιο θα περάσει μέσα της ανεπηρέαστο.

Όταν η κατάσταση ενός φωτονίου μεταβάλλεται μη ντετερμινιστικά (πιθανοκρατικά), όπως τώρα που δεν γνωρίζουμε τι θα κάνει το φωτόνιο με το ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο – ή περνά ή ανακλάται –, τότε το φωτόνιο υφίσταται μια κβαντική υπέρθεση ή μια επαλληλία πολλών καταστάσεων. Σύμφωνα με αυτήν το φωτόνιο παίρνει όλες τις δυνατές καταστάσεις και μπορεί να αλληλεπιδράσει με τον εαυτό του. Το φαινόμενο αυτό συνεχίζεται μέχρι ένας παρατηρητής να αλληλεπιδράσει με αυτό, αναγκάζοντας έτσι την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης του και να επιστρέψει το φωτόνιο σε μια ντετερμινιστική κατάσταση.

Μπορούμε, για να κατανοήσουμε το φαινόμενο αυτό, να σκεφτούμε την ερμηνείας πολλαπλών κόσμων του Everett. Η υπέρθεση ή η επαλληλία πολλών καταστάσεων είναι σαν να έχουμε παράλληλους κόσμους – έναν κόσμο για κάθε πιθανή κατάσταση των φωτονίων. Ως εκ τούτου, όταν ένα φωτόνιο συναντάει τον ημι-επαργυρωμένα κάτοπτρο, τότε σε έναν “κόσμο” περνά μέσα από αυτό, και σε έναν άλλο “κόσμο” ανακλάται από το κάτοπτρο. Αυτοί οι δύο κόσμοι είναι εντελώς ξεχωριστοί εκτός από το σωματίδιο στην υπέρθεση. Το φωτόνιο που περνάει μέσα από τον καθρέφτη στον ένα κόσμο μπορεί να αλληλεπιδράσει με το φωτόνιο που ανακλάται από το κάτοπτρο στον άλλο κόσμο.

Τα φωτόνια μπορούν να συνεχίσουν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέχρις ότου ένας παρατηρητής από τον ένα κόσμο μετράει την κατάσταση του φωτονίου.

Ανάλυση του φαινομένου
Στη φυσική το πρόβλημα Elitzur-Vaidman του ελέγχου αν μια βόμβα είναι καλή ή ελαττωματική είναι ένα νοητικό πείραμα της κβαντομηχανικής, που προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Avshalom Elitzur και Lev Vaidman το 1993. Ένα χρόνο μετά, το 1994, κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε με επιτυχία από τον Anton Zeilinger μία πειραματική διάταξη ελεγχόμενης έκρηξης βόμβας. Αυτή η διάταξη περιλαμβάνει ένα συμβολόμετρο Mach-Zehnder για να εξακριβωθεί αν έχει πραγματοποιηθεί μια μέτρηση.

Το μυστικό στην παραπάνω διάταξη είναι το ειδικό συμβολόμετρο. Εκμεταλλεύεται το κβαντικά παράξενο γεγονός ότι, αν υπάρχουν δύο δρόμοι για να ταξιδέψει ένα φωτόνιο, θα πάρει και τους δύο ταυτόχρονα. Το γνωρίζουμε αυτό, διότι, στο άλλο άκρο της συσκευής, όπου οι δύο δρόμοι διασταυρώνονται, παράγεται ένα μοτίβο που μοιάζει με ένα κύμα.

Ακολούθως, το 2000, οι Shuichiro Inoue και Gunnar Bjork του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Στοκχόλμης, χρησιμοποίησαν μια παρόμοια τεχνική για να αποδείξουν ότι θα μπορούσαμε να πάρουμε μια εικόνα από ένα κομμάτι ενός αντικειμένου χωρίς να πέσει φως πάνω σε αυτό – κάτι που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην ιατρική απεικόνιση.

Μια εξήγηση βήμα προς βήμα για το τι συμβαίνει στο συμβολόμετρο Mach-Zehnder:

Αν η βόμβα είναι ελαττωματική (δεν μπορεί να εκραγεί):

• Το φωτόνιο συγχρόνως (i) διέρχεται από το 1ο ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο και (ii) ανακλάται.
• Η ελαττωματική βόμβα δεν θα απορροφήσει το φωτόνιο, θα διέλθει μέσα της και έτσι η κάτω διαδρομή είναι η πιθανή διαδρομή προς το σημείο συμβολής.
• Το σύστημα ανάγεται στη βασική συσκευή Mach-Zehnder χωρίς κανένα σωστό δείγμα, στην οποία συμβαίνει ενισχυτική συμβολή στην πορεία προς την οριζόντια έξοδο (D), καθώς και αποσβεστική συμβολή στην πορεία προς την κάθετη έξοδο (C).
• Ως εκ τούτου, ο ανιχνευτής στο (D) θα αναγνωρίσει ένα φωτόνιο, και ο ανιχνευτής στο (C) κανένα

Αν η βόμβα είναι λειτουργική (μπορεί να εκραγεί):

• Το φωτόνιο συγχρόνως (i) διέρχεται από το 1ο ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο και (ii) ανακλάται.
• Θεωρώντας ότι ο παρατηρητής είναι η βόμβα, μετά την συνάντηση του φωτονίου με την βόμβα (παρατηρητής), η κυματοσυνάρτηση καταρρέει και το φωτόνιο πρέπει να είναι είτε στην κάτω διαδρομή ή στην πάνω γραμμή, αλλά όχι και στις δύο.

Αν το φωτόνιο είναι πράγματι στην κάτω διαδρομή:

• Επειδή η βόμβα μπορεί να χρησιμοποιηθεί, αυτό το φωτόνιο αναγκάζει την βόμβα να εκραγεί.

Αν το φωτόνιο κάνει πράγματι την πάνω διαδρομή:

• Επειδή η κάτω διαδρομή δεν έγινε, τότε δεν θα υπάρξει κανένα φαινόμενο συμβολής στο 2ο ήμι-επαργυρωμένο καθρέφτη.
• Το φωτόνιο στην πάνω γραμμή τώρα συγχρόνως (i) διέρχεται από το 2ο ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο και (ii) ανακλάται.
• Μετά την συνάντηση με τους δύο παρατηρητές (ανιχνευτής C και D), η κυματοσυνάρτηση του φωτονίου καταρρέει κι έτσι και πάλι το φωτόνιο πρέπει να είναι είτε στον ανιχνευτή C ή στον ανιχνευτή D, αλλά όχι και στους δύο.

Ως εκ τούτου, υπάρχουν μόνο τρία παρατηρήσιμα αποτελέσματα:

1. Η βόμβα εκρήγνυται.
2. Η βόμβα δεν εκρήγνυνται και μόνο ο ανιχνευτής (C) ανιχνεύει το φωτόνιο. Η βόμβα θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί.
3. Η βόμβα δεν εκρήγνυνται και μόνο ο ανιχνευτής (D) ανιχνεύει το φωτόνιο. Είναι εξίσου πιθανό η βόμβα να είναι χρησιμοποιήσιμη (καλή) ή να είναι ελαττωματική.

Πηγή: Wikipedia – New Scientist
(από physics4u)