Μια διεθνής ερευνητική ομάδα απέδειξε ότι το φανταστικό μέρος της κβαντικής μηχανικής μπορεί να εφαρμοστεί και στον πραγματικό κόσμο.
Για σχεδόν έναν αιώνα, οι φυσικοί αναζητούσαν την απάντηση στο θεμελιώδες ερώτημα: γιατί οι πολύπλοκοι αριθμοί είναι τόσο σημαντικοί στην κβαντομηχανική, οι αριθμοί δηλαδή που περιέχουν ένα στοιχείο με τον φανταστικό αριθμό i;
Πολλοί επιστήμονες υπέθεταν ότι ήταν ένα μαθηματικό τέχνασμα για να διευκολυνθεί η περιγραφή των φαινομένων και μόνο τα αποτελέσματα που εκφράζονται σε πραγματικούς αριθμούς έχουν φυσική σημασία. Ωστόσο, μια ομάδα ερευνητών από την Πολωνία, την Κίνα και τον Καναδά, απέδειξε ότι το φανταστικό μέρος της κβαντικής μηχανικής μπορεί να παρατηρηθεί και στον πραγματικό κόσμο.
Νέα έρευνα, που διεξήχθη από μια ομάδα με επικεφαλής τον Alexander Streltsov του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας στην Πολωνία και τον Kang-Da Wu του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, διαπίστωσε ότι οι φανταστικοί αριθμοί φέρουν πραγματικά πραγματικές πληροφορίες για τις κβαντικές καταστάσεις.
«Δεν είναι απλώς ένα μαθηματικό τεχνούργημα» δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Κάρλο Μαρία Σκαντόλο, μαθηματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κάλγκαρι του Καναδά. «Οι πολύπλοκοι αριθμοί υπάρχουν πραγματικά», πρόσθεσε.
Οι φανταστικοί αριθμοί έπαιζαν πάντα ρόλο στην κβαντική θεωρία. Οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη συμπεριφορά των μικροσκοπικών κβαντικών σωματιδίων εκφράζονται με αυτούς τους πολύπλοκους αριθμούς.
Είναι αυτοί οι αριθμοί απλά μαθηματικά εργαλεία ή αντιπροσωπεύουν κάτι πραγματικό για τις κβαντικές καταστάσεις που περιγράφουν αυτές οι εξισώσεις;
Για να βρουν την απάντηση σε αυτό το ερώτημα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μαθηματικό πλαίσιο για να προσδιορίσουν εάν οι φανταστικοί αριθμοί είναι ένας «πόρος». Στην κβαντική θεωρία, ο «πόρος» έχει μια συγκεκριμένη έννοια, μια ιδιότητα που επιτρέπει νέες ενέργειες οι οποίες θεωρούνταν αδύνατες. Η κβαντική διεμπλοκή είναι ένας πόρος στην κβαντική θεωρία, επειδή επιτρέπει ενέργειες όπως η τηλεμεταφορά. Οι υπολογισμοί της ομάδας έδειξαν ότι οι φανταστικοί αριθμοί είναι πράγματι ένας πόρος. Ωστόσο το επόμενο βήμα ήταν να ελέγξουν αυτό το μαθηματικό αποτέλεσμα στον πραγματικό κόσμο.
Για να το κάνουν αυτό, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα πείραμα οπτικής στο οποίο μια πηγή έστειλε διαπλεκόμενα φωτόνια (σωματίδια φωτός) σε δύο δέκτες: «Άλις» και «Μπομπ». Στη συνέχεια, οι δύο δέκτες έπρεπε να καθορίσουν τις κβαντικές καταστάσεις των φωτονίων. Μέτρησαν τα δικά τους φωτόνια και στη συνέχεια συνέκριναν τις μετρήσεις. Αυτό επέτρεψε στους δυο δέκτες να μαντέψουν τη σωστή κατάσταση για το αντίθετο φωτόνιο.
Για ορισμένα ζεύγη κβαντικών καταστάσεων, οι ερευνητές βρήκαν, ότι οι δυο δέκτες μπόρεσαν να μαντέψουν τις καταστάσεις με ακρίβεια 100%, αλλά μόνο όταν είχαν τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουν φανταστικούς αριθμούς στις τοπικές τους μετρήσεις. Όταν δεν είχαν αυτή την επιλογή, ήταν αδύνατο να ξεχωρίσουν με ακρίβεια τις δύο καταστάσεις.
«Εάν αφαιρέσω πολύπλοκους αριθμούς, σε αυτές τις περιπτώσεις, χάνω εντελώς την ικανότητά μου να διακρίνω αυτές τις δύο καταστάσεις», δήλωσε ο Σκανδόλο.
Με άλλα λόγια, το πείραμα είχε το ίδιο αποτέλεσμα με το μαθηματικό. Η απώλεια σύνθετων αριθμών ισοδυναμούσε με την απώλεια πραγματικών πληροφοριών.
Οι πληροφορίες που μεταφέρουν αυτοί οι περίπλοκοι αριθμοί δεν σχετίζονται με μια απλή φυσική ιδιότητα, όπως η περιστροφή ενός ηλεκτρονίου. Αντίθετα, είπε ο Σκαντόλο, έχει να κάνει με την ικανότητα εξαγωγής πληροφοριών από ένα σωματίδιο χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η αλληλεπίδραση με άλλα σωματίδια που βρίσκονται σε απόσταση.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να επεκτείνουν την αναζήτησή τους και σε άλλες καταστάσεις στην κβαντική θεωρία όπου οι φανταστικοί αριθμοί μπορεί να είναι ένας κβαντικός πόρος. Θέλουν επίσης να μάθουν περισσότερα για τον ρόλο που παίζουν οι φανταστικοί αριθμοί σε καταστάσεις στις οποίες η χρήση της κβαντικής πληροφορίας είναι πλεονεκτική. Για παράδειγμα, οι πληροφορίες που μεταφέρονται από φανταστικούς αριθμούς θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στην εξήγηση των υποκείμενων λόγων για τους οποίους ο κβαντικός υπολογισμός επιτρέπει ενέργειες που δεν κάνει ο παραδοσιακός υπολογιστής, πρόσθεσε ο Σκαντόλο.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στα επιστημονικά περιοδικά «Physical Review A» και «Physical Review Letters».
ΠΗΓΗ: Live Science, Scitechdaily
