Η πρόσφατη
κινηματογραφική ταινία «Το παιχνίδι της μίμησης» προσφέρει, μεταξύ
πολλών άλλων, ένα μοναδικό déjà vu της ιστορίας των επιστημών.
Συγκεκριμένα, βλέπουμε εκεί το πώς γεννήθηκε από τον Βρετανό Αλαν
Τούρινγκ η Πληροφορική ως λύση στο πρόβλημα της αποκρυπτογράφησης των
γερμανικών κωδίκων κατά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο. Αλλά τον ίδιο μήνα
πρεμιέρας της εν λόγω ταινίας η Ιστορία δείχνει να επαναλαμβάνεται
ειρωνικά με τη γέννηση της «Κβαντικής Πληροφορικής», με κύριο κίνητρο
αυτή τη φορά την ασφαλή κρυπτογράφηση των πληροφοριών!
Μια μεγάλη διαφορά του τότε από το τώρα είναι ότι τη δεκαετία του ’40
ελάχιστοι «μυρίζονταν» το τι κυοφορούνταν στα εργαστήρια των
επιστρατευμένων ερευνητών. Αντίθετα, στα χρόνια μας έχουμε τουλάχιστον
μία δεκαετία που μιλάμε για «κβαντικούς υπολογιστές» χωρίς ποτέ να τους
βλέπουμε να υλοποιούνται. Τι συνέβη λοιπόν τώρα και γιατί είναι
σημαντική για το μέλλον μας η γέννηση μιας αλλιώτικης πληροφορικής;
Στους υπολογιστές μας το αλφάβητο των πληροφοριών είναι δυαδικά ψηφία
(bits), δηλαδή διακόπτες ηλεκτρισμού που είτε είναι ανοιχτοί είτε
κλειστοί. Εχουν, δηλαδή, δύο άκρως διακριτές καταστάσεις σε έναν κόσμο
άμεσα κατανοητό και αντιληπτό από εμάς, τους ανθρώπους. Σε έναν κβαντικό
υπολογιστή όμως οι κβαντικές μονάδες πληροφορίας, τα qubits,
λειτουργούν σαν να ζουν σε... παράλληλα σύμπαντα. Δηλαδή, την ίδια
στιγμή μπορούν να έχουν και τις δύο τιμές (ανοιχτό/κλειστό,
αληθές/ψευδές, ναι/όχι, +/-). Το ποια είναι η μετρήσιμη τιμή τους
προκύπτει μόνο όταν δράσουμε πάνω τους (μέτρηση), οπότε λαμβάνουν μία
από τις δύο τιμές (κατάσταση υπέρθεσης). Επίσης, μια δεύτερη πολύ
σημαντική ιδιότητα των κβάντων είναι η «πεπλεγμένη αλληλεπίδραση» ή
διεμπλοκή (entanglement): μπορούμε να τα εξαναγκάσουμε να λειτουργούν
ως... φάλαγγα και να παίρνουν τις ίδιες τιμές, μολονότι βρίσκονται
χώρια.
Οι δύο αυτές περίεργες ιδιότητες των κβάντων αρκούν για να κάνουν μια
κολοσσιαία διαφορά στις δυνατότητες υπολογισμών μας. Για παράδειγμα,
εκεί που 100 bits μετρούν 100 κομμάτια πληροφορίας ανά στιγμή, τα 100
qubits μετρούν 2 στην 100ή κομμάτια πληροφορίας, πράγμα που ισοδυναμεί
περίπου με το 10 ακολουθούμενο από 30 μηδενικά. Αν, δηλαδή, ο τωρινός
σας υπολογιστής έχει μνήμη 16 δισ. bits (2 GBytes), φαντασθείτε τι θα
μπορούσε να κάνει με 16 δισ. qubits! Αλλά πώς φθάσαμε να συζητούμε την
υλοποίηση ενός τέτοιου ονείρου και πού βρισκόμαστε σήμερα;
Κατά τον Αϊνστάιν: «απόκοσμη δράση»
Το πέρασμα από τη θεωρία στην πράξη ξεκίνησε το 1935, όταν οι
φυσικοί Αϊνστάιν, Ποντόλσκι και Ρόζεν προχώρησαν στο σήμερα γνωστό ως
«πείραμα EPR» (από τα αρχικά των επωνύμων τους) με στόχο να αποδείξουν
ότι η κβαντική θεωρία δίνει ατελή άποψη της πραγματικότητας.
Δημιούργησαν ένα σύστημα αποτελούμενο από δύο σωματίδια Α και Β,
μηδενικής ολικής στροφορμής (spin), τα οποία είχαν αλληλεπιδράσει για
μικρό χρονικό διάστημα και αποχωρίστηκαν ώστε να διατηρείται η ολική
τους στροφορμή σταθερή. Μετά τον χωρισμό τους μέτρησαν μία από τις
συνιστώσες στροφορμής του σωματιδίου Α. Μπόρεσαν τότε - χωρίς να
πραγματοποιήσουν καμία μέτρηση στο Β - να προβλέψουν με βεβαιότητα ότι η
τιμή της αντίστοιχης συνιστώσας του θα είναι αντίθετη αυτής του Α.
Κατά τον Αϊνστάιν, η δυνατότητα πρόβλεψης μιας τιμής του Β αποδεικνύει
πως η κβαντική θεωρία δεν είναι πλήρης, αφού δεν εξηγεί τον τρόπο με τον
οποίο το ένα σωματίδιο επηρεάζει το άλλο. Αν δεχθούμε ότι η στροφορμή
αυτού που μετράμε δεν είναι καθορισμένη αλλά ορίζεται τη στιγμή της
μέτρησης, τότε το σωματίδιο αυτό θα πρέπει ακαριαία να καθορίζει την
τιμή της στροφορμής του άλλου, όσο μακριά του και αν βρίσκεται. Οπως
δήλωσε ο Αϊνστάιν, ένα τέτοιο ζευγάρωμα προϋποθέτει «απόκοσμη δράση από απόσταση». Εννοείται ότι μια τέτοια αλληλεπίδραση - ταχύτερη από το φως - έρχεται σε αντίθεση με τη Θεωρία της Σχετικότητας.
Κατά τον Μπορ: «ιδιότητα του πραγματικού κόσμου»
Ο Μπορ, όμως, ο θεμελιωτής της Κβαντομηχανικής, επέμεινε ότι αυτή η
συσχέτιση, η διεμπλοκή, συνιστά μια ιδιότητα του πραγματικού κόσμου.
Ανεξάρτητα από τη μεταξύ τους απόσταση, τα συσχετισμένα σωματίδια
αποτελούν θεμελιώδη τμήματα του ίδιου κβαντικού συστήματος και, χωρίς
κανένα σήμα να ανταλλάσσεται μεταξύ τους, η γνώση της κβαντικής
κατάστασης του ενός μάς αποκαλύπτει την κατάσταση και του άλλου. Στον
κόσμο της Κβαντικής Φυσικής ένα φωτόνιο είναι συγχρόνως και ένα κύμα. Ως
κύμα περιγράφεται από μια κυματοσυνάρτηση στην οποία απεικονίζονται οι
ιδιότητες του φωτονίου, όπως η συχνότητά του, η κατεύθυνσή του κ.τ.λ. Η
κυματοσυνάρτηση δύο σωματιδίων αντιπροσωπεύει μια αδιάσπαστη ολότητα,
συγκροτούμενη από δύο φωτόνια που έχουν χάσει την ατομικότητά τους
εφόσον αποτελούν μέλη ζεύγους, και μας δίνει πληροφορίες από τον
συσχετισμό των δύο φωτονίων.
Τα πρώτα βήματα του «τανγκό»
Το 1993 μια ομάδα έξι επιστημόνων από τις ΗΠΑ, τον Καναδά και το
Ισραήλ (οι C. Bennett, R. Jozsa, W. Wootters, G. Brassard, C. Crepeau
και A.Peres) βρήκε τον τρόπο να ανιχνεύσει μέρος των πληροφοριών ενός
σωματιδίου σε ένα άλλο σωματίδιο το οποίο δεν έχει έλθει ποτέ σε επαφή
με το πρώτο. Οι ερευνητές ξεκίνησαν στέλνοντας έναν παλμό υπεριώδους
φωτός σε ένα ειδικά διαμορφωμένο κρύσταλλο που «έσχισε στα δύο» ένα
φωτόνιο υψηλής ενέργειας. Τα δύο φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας που
προέκυψαν είχαν συμπληρωματική πόλωση - ήταν πλέον «ζευγάρι». Για να
επιτευχθεί η τηλεμεταφορά χρησιμοποιήθηκε ένας «τρίτος», ένα
φωτόνιο-παρατηρητής του... τανγκό του ζευγαριού.
Mε μια διαδικασία που μοιάζει με διαδοχικό φλερτ του τρίτου φωτονίου και
με τα δύο μέλη του «ζεύγους» οι ερευνητές μπόρεσαν να οδηγήσουν το
δεύτερο φωτόνιο ακριβώς στην ίδια κατάσταση πόλωσης που είχε το πρώτο
προτού λάβει χώρα η μέτρηση. «Είναι σαν τα δύο φωτόνια να βρίσκονταν σε επικοινωνία μεταξύ τους, ανεξάρτητα από την απόσταση που τα χώριζε» δήλωσε ο καθηγητής Γουίλιαμ Γούτερς (William Wooters), ο οποίος συνέγραψε τη διατριβή που ενέπνευσε το πείραμα.