Συναντήσεις πάνω στη Γέφυρα | Στέφανος Τραχανάς

 

Θεωρητική μέθοδος για ταξίδια με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός

 

Η επίτευξη ταχυτήτων μεγαλύτερων αυτής του φωτός θα αποτελούσε «κλειδί» για να καταστούν δυνατά τα ταξίδια σε μακρινά άστρα- ωστόσο ακόμα και οι πιο σύγχρονες έρευνες για μεταφορές σε υπερφωτονικές ταχύτητες με βάση τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν θα απαιτούσαν μεγάλες ποσότητες υποθετικών σωματιδίων και καταστάσεων ύλης με «εξωτικές» φυσικές ιδιότητες, όπως η αρνητική πυκνότητα ενέργειας. Αυτός ο τύπος ύλης είτε δεν μπορεί να βρεθεί είτε δεν μπορεί να παραχθεί σε ικανές ποσότητες. Αντίθετα, νέα έρευνα που διεξήχθη στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν «παρακάμπτει» αυτό το πρόβλημα δημιουργώντας μια νέα κατηγορία εξαιρετικά ταχέων «σολιτονίων», χρησιμοποιώντας πηγές με μόνο θετικές ενέργειες που μπορούν να επιτρέψουν ταξίδι σε οποιαδήποτε ταχύτητα. Αυτό επανεκκινεί τη συζήτηση για την πιθανότητα ταξιδιών σε ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός με βάση τη συμβατική φυσική.

Η εν λόγω έρευνα δημοσιεύτηκε στο Classical and Quantum Gravity. Ο συντάκτης της, Έρικ Λεντς, ανέλυσε υπάρχουσες έρευνες και ανακάλυψε κενά σε προηγούμενες μελέτες πάνω σε «κινητήρες στρέβλωσης» (warp drives). Ο Λεντς πρόσεξε ότι υπήρχαν ανεξερεύνητες ακόμα καταστάσεις καμπυλότητας του χωροχρόνου οργανωμένες σε «σολιτόνια», που έχουν τη δυνατότητα να επιλύσουν τον γρίφο, διατηρώντας τη φυσική βιωσιμότητα.

Η κβαντομηχανική προσέγγιση του αριθμού π

Τι θα συμβεί αν ένας ελέφαντας πέσει σε μια μαύρη τρύπα;

 

Η απάντηση του Gerard ’t Hooft στον Hawking σχετικά σχετικά με την απώλεια πληροφοριών από τις μαύρες τρύπες

Ελέφαντας πέφτει σε μαύρη τρύπα!

Αν κάποιο αντικείμενο, είτε πρόκειται για ένα iPhone είτε για ελέφαντα, πέσει μέσα σε μια μαύρη τρύπα μένει για πάντα εκεί. Ο υπόλοιπος κόσμος έξω από τη μαύρη τρύπα χάνει για πάντα τις πληροφορίες που είναι κωδικοποιημένες σ’ αυτά τα αντικείμενα;

Ναι, χάνονται τα πάντα ισχυρίστηκε στην αρχή ο Stephen Hawking (έτσι προέκυψε το περίφημο: «ο Θεός παίζει ζάρια, αλλά πολλές φορές τα ρίχνει εκεί όπου δε μπορούμε να τα δούμε»), ενώ οι Leonard Susskind και Gerard ’t Hooft υποστήριζαν το αντίθετο. Ο John Preskill, το 1997,  έβαλε στοίχημα με τον Hawking υπέρ των Susskind και Hooft.  Το 2007 ο Hawking παραδέχθηκε την ήττα του επισήμως.

Αφού ο Stephen Hawking πείστηκε ότι δεν χάνονται οι πληροφορίες όταν καταπίνονται από μια μαύρη τρύπα τον περασμένο Αύγουστο προσπάθησε να αποδείξει ότι αποθηκεύονται – όχι στο εσωτερικό της – αλλά στο όριό της, τον ορίζοντα των γεγονότων σε μια μορφή (super translations) που είναι ολόγραμμα των εισερχομένων σωματιδίων. Έτσι οι πληροφορίες σχετικά με τον ελέφαντα που θα εξαφανιστεί μέσα στη μαύρη τρύπα παραμένουν στην άκρη ως ολογραφικό αποτύπωμα και διαρρέουν προς τα έξω διαμέσου της ακτινοβολίας Hawking, το μόνο «πράγμα που εκπέμπει» μια μαύρη τρύπα.

Η πρόταση του Hawking δημιούργησε πολλά ερωτήματα και μεγάλη συζήτηση.

Γι αυτό ο Gerard ’t Hooft επaνεξέτασε μια ιδέα που είχε προτείνει το 1987.

Ο ’t Hooft [Diagonalizing the Black Hole Information Retrieval Process] πιστεύει ότι βαρύτητα μπορεί να δώσει την τελική απάντηση. Καθώς λοιπόν ο ελέφαντας γλιστράει στο όριο της μαύρης τρύπας, το βαρυτικό πεδίο του ζώου μεταβάλλεται. Όταν η εξερχόμενη ακτινοβολία Hawking διέρχεται μέσα από το βαρυτικό πεδίο του δύστυχου ζώου, αλλάζει η πορεία της. Και αυτές οι αλλαγές στην πορεία της ακτινοβολίας Hawking προς τα έξω περιέχουν τις πληροφορίες σχετικά με το καταδικασμένο παχύδερμο. Με λίγα λόγια οι μαύρες τρύπες, καθώς η ύλη πέφτει προς το εσωτερικό τους, ανακλούν στο διάστημα τις πληροφορίες που μεταφέρουν τα σωματίδιά της.

Αν λοιπόν ένας ελέφαντας πέσει σε μια μαύρη τρύπα, τότε οι πληροφορίες σχετικά μ’ αυτόν, σύμφωνα με τον Hawking αποθηκεύονται στον ορίζοντα των γεγονότων, ενώ σύμφωνα με τον ‘t Hooft αναπηδούν προς τα πίσω. Βέβαια, και οι δύο προτάσεις εμφανίζουν προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν και προς το παρόν καμία δεν αποτελεί την οριστική λύση. Το μόνο σίγουρο είναι πως ο ελέφαντας αφήνει κάποιο «μήνυμα» πριν χαθεί οριστικά και αμετάκλητα στην ερεβώδη μαύρη τρύπα!

Διαβάστε περισσότερα: Black holes may be brick walls that bounce information back out

https://physicsgg.wordpress.com/2015/10/13/%cf%84%ce%b9-%ce%b8%ce%b1-%cf%83%cf%85%ce%bc%ce%b2%ce%b5%ce%af-%ce%b1%ce%bd-%ce%ad%ce%bd%ce%b1%cf%82-%ce%b5%ce%bb%ce%ad%cf%86%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%b1%cf%82-%cf%80%ce%ad%cf%83%ce%b5%ce%b9-%cf%83%ce%b5/

Νέο κβαντικό ολοκληρωμένο κύκλωμα

Μια διεθνής ερευνητική ομάδα έχει προχωρήσει στη δημιουργία ενός νέου, πολλά υποσχόμενου, κβαντικού ολοκληρωμένου κυκλώματος, που φαίνεται ν’ ανοίγει τον δρόμο για απολύτως ασφαλείς επικοινωνίες και για πολύ γρήγορους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Οι επιστήμονες, με επικεφαλής ερευνητές του πανεπιστημίου του Μπρίστολ, που αναμένεται να κάνουν τις σχετικές επίσημες ανακοινώσεις αυτή την εβδομάδα στο πλαίσιο του Βρετανικού Φεστιβάλ Επιστήμης στο Αμπερντίν της Σκωτίας, φιλοδοξούν ότι το νέο τσιπ θα κάνει τις ηλεκτρονικές συσκευές άτρωτες έναντι πιθανών απειλών. Το νέο κβαντικό «τσιπ» είναι κατασκευασμένο από πυρίτιο, χρησιμοποιεί το φως και είναι χιλιάδες φορές μικρότερο από τα υπάρχοντα. Οι ερευνητές θεωρούν εφικτή τη μαζική παραγωγή και αξιοποίησή του σε εμπορικά προϊόντα. Η χρησιμοποίηση του πυριτίου στο κβαντικό τσιπ έχει το μεγάλο πλεονέκτημα ότι παρέχει συμβατότητα με τα υπάρχοντα εξαρτήματα, που εδώ και χρόνια η βιομηχανία ηλεκτρονικών χρησιμοποιεί. Σύμφωνα με τον καθηγητή φυσικής, Τζέρεμι Ο΄Μπράιαν, του πανεπιστημίου του Μπρίστολ, οι κβαντικοί επεξεργαστές θα ήταν δυνατό να ενσωματωθούν στα συμβατικά μικροηλεκτρονικά κυκλώματα το πολύ μέσα στα επόμενα τρία έως πέντε χρόνια. Για το νέο τσιπ, εκτός από το Μπρίστολ, έχουν συνεργαστεί το σκοτσέζικο πανεπιστήμιο Heriot-Watt, το ολλανδικό πανεπιστήμιο Delft και τρεις εταιρίες (η ιαπωνική Toshiba, η φινλανδική Nokia και η βρετανική Oclaro). Ο Άντι Νισκάνεν του Ερευνητικού Κέντρου της Nokia στο Κέμπριτζ δήλωσε ότι «η κατανόηση της κβαντικής φωτονικής ανοίγει συναρπαστικές προοπτικές για περαιτέρω έρευνα στην ασφάλεια, στους αισθητήρες και στην επεξεργασία των πληροφοριών. Η ασφάλεια των προσωπικών δεδομένων, η ικανότητα μιας συσκευής να αντιλαμβάνεται τον κόσμο γύρω της και η δυνατότητά της να ερμηνεύει γρήγορα αυτές τις πληροφορίες, θα προσφέρουν από κοινού μελλοντικά οφέλη στους χρήστες των κινητών συσκευών». Τα νέα κβαντικά κυκλώματα είναι συμβατά και με την τεχνολογία των οπτικών ινών, που χρησιμοποιείται στις υποδομές των ευρυζωνικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων και του διαδικτύου, καθώς λειτουργούν στα ίδια μήκη κύματος. Τα φωτόνια των κβαντικών τσιπ και το φως, που μεταφέρει τις πληροφορίες μέσω των οπτικών ινών, όπως είπε ο Μαρκ Τόμσον του Κέντρου Κβαντικής Φωτονικής του πανεπιστημίου του Μπρίστολ, «μιλούν την ίδια γλώσσα». ert.gr - bristol.ac.uk - arxiv.org

Σοπέν και Κβαντομηχανική

Fantaisie-Impromptu

"Αφού πήρα το πτυχίο μου στη φυσική, πέρασα ένα χρόνο στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ σπουδάζοντας μαθηματικά και φυσική. 
Το Κέμπριτζ είναι ένα μέρος με πράσινους χλοοτάπητες και γκρίζο ουρανό, με τεράστιο βάρος ευγενούς επιστημοσύνης. 
Ήμουν μέλος του St. Johon’s College, που ιδρύθηκε πριν από 500 περίπου χρόνια. 
Θυμάμαι ιδιαίτερα ότι έπαιζα σ’ ένα θαυμάσιο πιάνο, εγκατεστημένο σε έναν από τα αρχαιότερα οικήματα του κολεγίου. 
Ανάμεσα στα κομμάτια που έπαιζα ήταν η σύνθεση Fantaisie-Impromptu (Φαντασία-Αυτοσχεδιασμοί) του Σοπέν. 
Το κύριο τμήμα έχει μια επίμονη σύμμειξη ρυθμών τέσσερα-προς-τρία. 
Και τα δύο χέρια παίζουν στο ίδιο τέμπο, αλλά παίζοντας τέσσερις νότες με το δεξί χέρι για κάθε τρεις νότες που εκτελούνται με το αριστερό. 
Ο συνδυασμός προσδίδει στη σύνθεση ένα αιθέριο, κελαριστό άκουσμα.
Είναι ένα όμορφο μουσικό κομμάτι. 
Και με κάνει να στοχάζομαι την κβαντική μηχανική.. 

Για να εξηγήσω γιατί, θα εισαγάγω μερικές έννοιες της κβαντομηχανικής, αλλά δεν θα προσπαθήσω να τις αναπτύξω με πληρότητα. 
Αντ’ αυτού, θα προσπαθήσω να εξηγήσω με ποιο τρόπο συνδυάζονται σε μια δομή που μου θυμίζει μουσικές συνθέσεις όπως η Fantaisie-Impromptu. 
Στην κβαντική μηχανική κάθε κίνηση είναι δυνατή, αλλά υπάρχουν μερικές που με την πάροδο του χρόνου ξεχωρίζουν. 
Αυτές οι προτιμώμενες κινήσεις αποκαλούνται κβαντικές καταστάσεις. 
Το γνώρισμά τους είναι ότι έχουν καθορισμένες συχνότητες. 
Οτιδήποτε μεταβάλλεται περιοδικά στο χρόνο χαρακτηρίζεται από μια συχνότητα: είναι ο αριθμός των επαναλήψεων ανά δευτερόλεπτο. 
Στην Fantaisie-Impromptu τα ρυθμικά μοτίβα του δεξιού χεριού έχουν συχνότητα μεγαλύτερη από τα μοτίβα του δεξιού χεριού, κατά το λόγο τέσσερα προς τρία. Αυτό που επαναλαμβάνεται κυκλικά στα κβαντικά συστήματα είναι κάτι πιο αφηρημένο, που οι φυσικοί το ονομάζουν φάση της κυματοσυνάρτησης. 
Μπορεί να παρομοιάσει κανείς τη φάση της κυματοσυνάρτησης με το λεπτοδείκτη ενός ρολογιού. 
Ο λεπτοδείκτης διαγράφει αδιάλειπτα κύκλους, έναν ανά λεπτό. Η φάση κάνει το ίδιο, αλλά κάνοντας κύκλους με πολύ μεγαλύτερη συχνότητα. Η συχνότητα αυτή χαρακτηρίζει την ενέργεια του συστήματος …

Απλά κβαντικά συστήματα, όπως το άτομο του υδρογόνου, έχουν καταστάσεις με συχνότητες που σχηματίζουν απλούς λόγους μεταξύ τους. 
Π.χ. η φάση μιας κβαντικής κατάστασης θα μπορούσε να κάνει εννιά κύκλους στο χρόνο που η φάση μιας άλλης θα κάνει τέσσερις κύκλους. 
Αυτό μοιάζει πολύ με τη σύμμειξη ρυθμών τέσσερα προς τρία της Fantaisie-Impromptu. 
Αλλά οι συχνότητες στη κβαντική μηχανική είναι συνήθως πολύ ταχύτερες. 
Για παράδειγμα, οι χαρακτηριστικές συχνότητες σε ένα άτομο υδρογόνου είναι της κλίμακας 10¹⁵ ταλαντώσεων ή κύκλων ανά δευτερόλεπτο. 
Πρόκειται πραγματικά για ρυθμούς πολύ ταχύτερους από εκείνους της Fantaisie-Impromptu, όπου το δεξί χέρι παίζει περίπου 12 νότες το δευτερόλεπτο.
Τα ρυθμικά θέλγητρα της Fantaisie-Impromptu οπωσδήποτε δεν είναι το πιο γοητευτικό της στοιχείο – όχι, τουλάχιστον, όταν παίζεται πολύ καλύτερα από ότι μπόρεσα να την ερμηνεύσω ποτέ ο ίδιος. 
Η μελωδία της κυλά πάνω από ένα μελαγχολικό μπάσο. Οι νότες ξεχύνονται μαζί σε μια χρωματική διάχυση. 
Οι αρμονίες αλλάζουν αργά, αντιπαραβαλλόμενες στο σχεδόν ανεξάρτητο πετάρισμα του κύριου θέματος. 
Η λεπτεπίλεπτη ρυθμικότητα τέσσερα-τρία προσφέρει απλώς ένα φόντο στην καθ’ όλα αξιομνημόνευτη αυτή σύνθεση του Σοπέν. 
Και η κβαντομηχανική έτσι είναι. Η διακριτικότητα του υποστρώματος, το υφαντό των κβαντικών καταστάσεων με τις καθορισμένες συχνότητες, σε μεγαλύτερες κλίμακες διαχέεται εκθαμβωτικά στον πολύχρωμο, περίπλοκο κόσμο της εμπειρίας μας. 
Ωστόσο, στον κόσμο αυτό οι κβαντικές συχνότητες αφήνουν ανεξίτηλα σημάδια: για παράδειγμα, το πορτοκαλί φως μιας λάμπας του δρόμου έχει καθορισμένη συχνότητα, που συνδέεται με έναν συγκεκριμένο συνδυασμό ρυθμών στα άτομα του νατρίου. Είναι η συγκεκριμένη συχνότητα αυτού του φωτός που το κάνει να φαίνεται πορτοκαλί…..
" Απόσπασμα από «Το μικρό βιβλίο της θεωρίας των χορδών», του Steven S. Gusber, Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης

Πως πραγματοποιείται η κβαντική τηλεμεταφορά

http://youtu.be/HxKJyeCRVek

Άραγε η σκηνή τηλεμεταφοράς που βλέπουμε στο παραπάνω βίντεο, από την σειρά επιστημονικής φαντασίας Star Trek, είναι δυνατόν να γίνει πραγματικότητα;
Μάλλον ναι, θα απαντούσε κανείς, αν διάβαζε τους τίτλους και μόνο των πρόσφατων δημοσιεύσεων από δυο ανεξάρτητες επιστημονικές ομάδες, σχετικών με την πραγματοποίηση της κβαντικής τηλεμεταφοράς.
Στην πρώτη εργασία, πριν από τρεις μήνες, με τίτλο «Experimental free-space quantum teleportation» οι ερευνητές Xian-Min Jin et al, ανακοίνωσαν πως κατάφεραν τηλεμεταφορά σε απόσταση 97 χιλιομέτρων και στη δεύτερη εργασία, που δημοσιεύθηκε οκτώ ημέρες μετά, με τίτλο «Quantum teleportation using active feed-forward between two Canary Islands»,  οι ερευνητές Xiao-song Ma et al, περιγράφουν την επίτευξη τηλεμεταφοράς σε απόσταση 143 χιλιομέτρων, μεταξύ των Καναρίων νησιών Λα Πάλμα και Τενερίφη.

Οι ερευνητές Xiao-song Ma et al, ανακοίνωσαν την επίτευξη τηλεμεταφοράς σε απόσταση 143 χιλιομέτρων, μεταξύ των Καναρίων νησιών Λα Πάλμα και Τενερίφη

Καλό είναι να ξεκαθαρίσουμε τι εννοούμε όταν μιλάμε για τηλεμεταφορά ή για κβαντική τηλεμεταφορά (δεδομένου ότι ο κόσμος που ζούμε είναι κβαντικός). Καταρχήν σημειώνουμε ότι είναι αδύνατον να αντιγράψουμε μια κβαντική κατάσταση χωρίς να την αφήσουμε αμετάβλητη. Η αντιγραφή απαγορεύεται από το λεγόμενο «θεώρημα της μη κλωνοποίησης». Διότι αν μπορούσαμε να αντιγράψουμε π.χ. την κβαντική κατάσταση του σπιν ενός ηλεκτρονίου, τότε επαναλαμβάνοντας πάρα πολλές φορές την διαδικασία της αντιγραφής, θα δημιουργούσαμε ένα σύστημα που θα είχε αρκετή στροφορμή ώστε να μετρηθεί με μακροσκοπικά. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την βασική αρχή της κβαντικής μέτρησης που αποκλείει την απόκτηση πληροφορίας για ένα κβαντικό σύστημα χωρίς την καταστροφή της κατάστασής του.

Μήπως εφόσον απαγορεύεται η κβαντική αντιγραφή, η κβαντική τηλεμεταφορά είναι αδύνατη; Η απάντηση στο ερώτημα αυτό είναι η εξής: είναι δυνατό να αντιγράψουμε μια κβαντική κατάσταση μόνο αν είμαστε διατεθειμένοι να την καταστρέψουμε.

Το απλούστερο μοντέλο κβαντικής τηλεμεταφοράς

Μπορεί να ακούγεται περίεργο αλλά η έρευνα σχετικά με την κβαντική τηλεμεταφορά σχετίζεται άμεσα με τους κβαντικούς υπολογιστές.
Ποια είναι η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ κλασικού υπολογιστή και κβαντικού υπολογιστή;
Στους γνωστούς υπολογιστές η βασική μονάδα εγγραφής και επεξεργασίας της πληροφορίας στο δυαδικό σύστημα – με τα γνωστά ψηφία 0 και 1 για τα οποία χρησιμοποιείται ο όρος bit (binary digit) ή στην ελληνική σύντμηση δυφίο – είναι ένα κλασικό αντικείμενο, π.χ. μια μαγνητική ψηφίδα μνήμης.
Στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα εγγραφής είναι ένα κβαντικό σύστημα. Για παράδειγμα ένα άτομο υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση, όπου το μηδέν αντιπροσωπεύεται από την ηλεκτρονιακή κατάσταση με σπιν πάνω και το ένα από την κατάσταση με σπιν κάτω.
Η κατάσταση με σπιν πάνω συμβολίζεται με |0> και η κατάσταση με σπιν κάτω με |1˃. Όμως επειδή το άτομο είναι ένα κβαντικό σύστημα, εκτός από τις παραπάνω δυο καταστάσεις |0> και |1>, θα είναι επίσης μια πραγματοποιήσιμη κατάσταση και κάθε γραμμικός συνδυασμός της μορφής

|ψ> = α |0> + β |1>

όπου α²+ β²=1
Και εδώ βρίσκεται η πηγή της θεμελιώδους διαφοράς μεταξύ ενός κλασικού και ενός κβαντικού υπολογιστή. Ότι στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα μνήμης μπορεί να βρίσκεται όχι μόνο στις καταστάσεις 0 και 1 αλλά και σε κάθε δυνατή επαλληλία.
Έτσι στην περίπτωση των κβαντικών υπολογιστών μιλάμε για qubit (quantum bit) ή στην ελληνική απόδοση κβαντοδυφίο
Διαβάστε περισσότερα ΕΔΩ  

Η κβαντική τηλεμεταφορά βασίζεται στο φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης (entanglement), ένα κβαντικό φαινόμενο που έγινε γνωστό, από το πείραμα σκέψης που πρότειναν οι Einstein-Podolsky-Rosen (ή παράδοξο EPR). 

Στην απλούστερη περίπτωση το πρόβλημα της κβαντικής τηλεμεταφοράς τίθεται ως εξής:

Μας δίνονται τρία qubits – για παράδειγμα, τα σωματίδια #1, #2 που σύμφωνα με την «παράδοση» θεωρούμε ότι ελέγχονται από την φυσικό Alice και το σωματίδιο #3 που ελέγχεται από τον φυσικό Bob. Τα σωματίδια θα μπορούσαν να έχουν ως μόνο βαθμό ελευθερίας τον προσανατολισμό του σπιν τους. Σπιν πάνω που συμβολίζεται με |0> και σπιν κάτω με το διάνυσμα |1>.
Υποθέτουμε ότι το πρώτο qubit – δηλαδή το πρώτο σωματίδιο #1 που συνήθως ανήκει στην φυσικό Alice - βρίσκεται στην κατάσταση

α |0> + β |1>

και θέλουμε η κατάσταση αυτή να μεταφερθεί στο τρίτο σωματίδιο #3 (που ανήκει στον φυσικό Bob) χωρίς βέβαια την φυσική αντιμετάθεση των δυο σωματιδίων. 

Αυτό που θέλουμε είναι να μεταφερθεί η κατάσταση και όχι το σωματίδιο που την φέρει.

Το σωματίδιο δέκτης #3 δεν μας είναι καν προσβάσιμο. Είναι κλεισμένο «κάπου» και αν οι τεχνικές συνθήκες του «πειράματος» το επιτρέπουν μπορεί να θεωρηθεί επίσης πολύ απομακρυσμένο από τα άλλα δυο. Η επιδιωκόμενη μεταφορά θα πρέπει να επιτευχθεί μόνο με κβαντομηχανικούς χειρισμούς (μοναδιαίοι μετασχηματισμοί + μέτρηση) πάνω στα δυο πρώτα σωματίδια (#1 και #2) του συστήματος. Να επιτευχθεί δηλαδή μόνο με τηλεχειρισμούς, έτσι ώστε να είναι μια τηλεμεταφορά.
Αυτό όμως απαιτεί μια καίρια αρχική συνθήκη. Το σωματίδιο #3 να έχει τεθεί εξαρχής, σε μια κατάσταση σύμπλεξης με το σωματίδιο #2, ώστε να υπάρχει καταρχήν η δυνατότητα να μπορεί να επηρεαστεί η κατάστασή του με τους τηλεχειρισμούς. Δηλαδή, με κβαντομηχανικές «δράσεις» πάνω στα σωματίδια #1 και #2. Η απλούστερη τέτοια σύμπλεξη περιγράφεται από την κατάσταση Bell, |B₀₀>

ενώ για την κατάσταση και των τριών σωματιδίων μαζί θα έχουμε

όπου |φ₀> = α |0> +β |1> η δοθείσα – αλλά άγνωστη – κατάσταση του πρώτου σωματιδίου

Αρχικά το σωματίδιο #1 (που διαθέτει η Alice) βρίσκεται στην (άγνωστη) κατάσταση επαλληλίας |φ₀> = α |0> +β |1>, ενώ τα σωματίδια #2 και #3 (που διαθέτουν η Alice και ο Bob αντίστοιχα) βρίσκονται σε σύμπλεκτη κατάσταση.
Το ζητούμενο είναι η Alice να μεταφέρει την κατάσταση του σωματιδίου #1 στο σωματίδιο #3 του Bob, με χειρισμούς μόνο πάνω στα δυο πρώτα σωματίδια.
Το σωματίδιο #3 θεωρείται μη προσβάσιμο είτε επειδή είναι «κλεισμένο» κάπου είτε επειδή έχει απομακρυνθεί πολύ από τα άλλα στο βαθμό που αυτό είναι εφικτό χωρίς να καταστραφεί η σύμπλεξή του με το σωματίδιο #2

Αφού τo σωματίδιο #1 δεν βρίσκεται σε σύμπλεξη με κανένα από τα άλλα δύο σωματίδια, οποιαδήποτε δράση πάνω σ’ αυτό δεν θα έχει καμιά επίδραση στα άλλα δυο. Επομένως, για να επιτευχθεί η μεταφορά της κατάστασης του σωματιδίου #1 στο σωματίδιο #3, απαιτείται η σύμπλεξή του με το γειτονικό του σωματίδιο #2.

Αρχικά πρέπει να χρησιμοποιηθεί η κβαντική πύλη CNOT. 
Η πύλη CNOT χρησιμοποιεί το πρώτο qubit ως qubit ελέγχου (control qubit) και το δεύτερο qubit ως στόχο (target qubit). Όταν το πρώτο qubit είναι στην κατάσταση |0> η πύλη CNOT δεν κάνει τίποτε στο δεύτερο, ενώ αν το πρώτο qubit είναι στην κατάσταση |1> η πύλη CNOT αναστρέφει το δεύτερο. Στη συνέχεια απαιτείται η δράση στο σωματίδιο #1 της κβαντικής πύλης Η (Ηadamard)

Το κβαντομηχανικό κύκλωμα για τη λύση του προβλήματος της τηλεμεταφοράς. Η αρχική των τριών σωματιδίων συμβολίζεται με |ψ₀>. Μετά τη δράση της πύλης CNOT στα σωματίδια #1 και #2 μεταπίπτει στην με |ψ₁>, στη συνέχεια μετά τη δράση της πύλης Η στο σωματίδιο #1 στην |ψ₂>. Μετά τις μετρήσεις που επιτελεί η Alice προκύπτει η κυματοσυνάρτηση |ψ₃> και αφού πραγματοποιηθεί η τηλεφωνική επικοινωνία μεταξύ Alice και Bob, και ο Bob δράσει με την κατάλληλη πύλη στο σωματίδιο #3, προκύπτει η κατάσταση |ψ₄>.

Ας δούμε την εξέλιξη της κατάστασης των τριών σωματιδίων. Αρχικά ισχύει:

Μετά την δράση της πύλης CNOT η |ψ₀> μεταπίπτει στην |ψ₁>

και μετά την δράση της πύλης Ηadamard

 όπου στην παραπάνω εξίσωση σημειώνονται τα μέρη της κατάστασης |ψ₂> που αφορούν το τρίτο σωματίδιο.
Βλέπουμε ότι στο σωματίδιο #3 έχει μεταφερθεί μια κατάσταση επαλληλίας –όχι μόνο στην |φ₀> = α |0> + β |1>, αλλά σε μια παραλλαγή που εξαρτάται από την κατάσταση των δύο πρώτων σωματιδίων.

Διακρίνουμε 4 περιπτώσεις:
1. Η Alice «εκτελεί μετρήσεις» προσδιορίζοντας το σπιν των σωματιδίων #1 και #2. Αν προκύψει ότι η κατάσταση των σωματιδίων #1 και #2 είναι η |00>, τότε το τρίτο σωματίδιο -σύμφωνα με την τελευταία εξίσωση - θα βρίσκεται στην κατάσταση που επιθυμούμε:

α |0> + β |1>

Στην περίπτωση αυτή η Alice τηλεφωνεί στον Bob και του λέει ότι η κατάσταση του σωματιδίου #1 τηλεμεταφέρθηκε στο σωματίδιο #3 και δεν χρειάζεται να κάνει τίποτε!
2. Η Alice βρίσκει ότι η κατάσταση των δυο πρώτων σωματιδίων είναι |01>, τότε η κατάσταση του τρίτου είναι διαφορετική από αυτή που επιθυμούμε:

β |0> + α |1>

Τώρα o Bob, αφού λάβει το τηλεφώνημα της Alice, για να μετασχηματίσει την κατάσταση του σωματιδίου #3 στην επιθυμητή, πρέπει να δράσει σ’ αυτήν με την κβαντική πύλη Χ 

Χ(β |0> + α |1>) = α |0> + β |1>

3. Αν η Alice διαπιστώσει ότι η κατάσταση των δυο πρώτων σωματιδίων βρίσκεται στην κατάσταση |10>, η κατάσταση του σωματιδίου #3 θα είναι η:

α |0> - β |1>

Ο Bob τώρα αφού μάθει τα μαντάτα από την Alice, για να πάρει την ζητούμενη κατάσταση αρκεί να δράσει με την κβαντική πύλη Ζ

Ζ(α |0> - β |1>) = α |0> + β |1>

4. Kαι τέλος, αν τα σωματίδια της Alice βρίσκονται στην κατάσταση |11>, τότε το σωματίδιο #3 θα βρίσκεται στην κατάσταση

- β |0> + α |1>

και στην περίπτωση αυτή ο Bob δρώντας διαδοχικά με τις πύλες Ζ και Χ, παίρνει το σωματίδιο #3 στη ζητούμενη κατάσταση.

Βλέπουμε λοιπόν ότι η κβαντική τηλεμεταφορά αναφέρεται στην μεταφορά της κατάστασης ενός σωματιδίου σε ένα άλλο. Είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί εφόσον είμαστε διατεθειμένοι να καταστρέψουμε την κατάσταση του πρώτου. Και η μεταφορά αυτή είναι αδύνατον να γίνει ακαριαία, διότι για να ολοκληρωθεί απαιτείται η επικοινωνία μεταξύ των Alice και Bob, που εκ των πραγμάτων δεν παραβιάζει το όριο της ταχύτητας του φωτός.

Διαβάστε περισσότερα: Στέφανος Τραχανάς, «Κβαντομηχανική ΙΙ» - Umesh Vazirani, «Quantum Mechanics and Quantum Computation» 

Πιο κοντά στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών

Κβαντικές μνήμες θέτουν νέο ρεκόρ διάρκειας

 Oι κβαντικές πληροφορίες μπορούν να αποθηκευτούν για περισσότερο από 1 δευτερόλεπτο σε θερμοκρασία δωματίου σε ένα διαμάντι.

Δύο ανεξάρτητες ομάδες φυσικών δημιούργησαν κβαντικές μνήμες στερεής κατάστασης (solid state), οι οποίες είναι δυνατό να αποθηκεύουν δεδομένα που ξεπερνάνε κατά πολύ τα μέχρι πρότινος επιτεύγματα των λίγων χιλιοστών του δευτερολέπτου. Η μία συσκευή, αναπτυγμένη στο πανεπιστήμιου Simon Fraser του Καναδά και σε συνεργασία με το πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, είναι βασισμένη σε κρύσταλλο του ισοτόπου ²⁸Si και μπορεί να αποθηκεύει δεδομένα μέχρι και για 3 λεπτά. Η άλλη μνήμη, την οποία ανέπτυξαν ερευνητές του Harvard, χρησιμοποιεί ισότοπα άνθρακα επεξεργασμένα με άζωτο, πρόκειται δηλαδή για καθαρά διαμάντια και έχει χρόνο αποθήκευσης δεδομένων 1,4 δευτερολέπτων. Αν και οι επιδόσεις της δεύτερης μνήμης δεν ακούγονται τόσο εντυπωσιακές όσο της πρώτης, το ενδιαφέρον είναι πως λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ η μνήμη σιλικόνης πρέπει να ψυχθεί στους -271 βαθμούς Κελσίου, σχεδόν ως στο απόλυτο μηδέν, για να διατηρήσει τις ιδιότητές της.

Τα νέα αυτά δεδομένα είναι εξαιρετικά χρήσιμα για την πρόοδο των κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι θα μπορούν να χρησιμοποιούν τις αρχές της κβαντικής μηχανικής προκειμένου να κάνουν υπολογισμούς πολύ ταχύτερα από τους σημερινούς υπολογιστές. Όπως οι σύγχρονοι υπολογιστές εκτελούν υπολογισμούς και αποθηκεύουν δεδομένα χρησιμοποιώντας τα ψηφιακά bits, έτσι ο μελλοντικός κβαντικός υπολογιστής θα βασίζεται στα λεγόμενα qubits, τις κβαντικές μονάδες πληροφορίες που αποθηκεύονται σε κβαντικές μνήμες. Ο βασικός λόγος για τον οποίο είναι δύσκολο να εγγραφεί και να μείνει για μεγάλο χρονικό διάστημα μια πληροφορία σε ένα qubit, είναι η αλληλεπίδραση του με το εξωτερικό περιβάλλον. Αυτό είναι ένα γνωστό πρόβλημα της κβαντικής μηχανικής, κατά το οποίο εάν ο παρατηρητής παρακολουθεί με κάθε λεπτομέρεια το πείραμα, επηρεάζει και το τελικό αποτέλεσμά του. Με πιο επιστημονικούς όρους, αυτό περιγράφεται ως η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, ή αλλιώς η «αποσυνοχή» του συστήματος. Οι επιστήμονες ψάχνουν λοιπόν τρόπους, για να διατηρούν για όσο μεγαλύτερο διάστημα γίνεται προστατευμένες της κβαντικές μνήμες, όμως αργά η γρήγορα θα πρέπει να αλληλεπιδράσουν με το εξωτερικό τους περιβάλλον για να ανταλλάξουν πληροφορίες, κάτι που οδηγεί στην αποσυνοχή τους. Μία λύση είναι να επεξεργάζονται γρήγορα την αρχική πληροφορία σε ένα προσβάσιμο qubit, πριν τη μεταφέρουν σε ένα πιο απομονωμένο μακριά από εξωτερικές επιδράσεις.

Αν και μέχρι τώρα είχαν κατασκευαστεί κβαντικές μνήμες με ιόντα παγιδευμένα σε κενό οι οποίες μπορούσαν να αποθηκεύουν δεδομένα σε qubits για πολλά λεπτά, οι φυσικοί πιστεύουν πως οποιαδήποτε πρακτική συσκευή κβαντικού υπολογισμού πρέπει να βασίζεται σε μνήμες στερεής κατάστασης, ώστε να μπορεί να ενσωματωθεί με τα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Ο ελάχιστος απαραίτητος χρόνος για τον οποίο μια μνήμη θα πρέπει να μπορεί να αποθηκεύει δεδομένα ώστε να υπάρχει περιθώριο επεξεργασίας και αντιγραφής τους, ορίζεται περίπου στο ένα δευτερόλεπτο. Έτσι, οι ανακαλύψεις αυτές αναμένεται να δώσουν μεγάλη ώθηση στην έρευνα για την ανάπτυξη του πρώτου ολοκληρωμένου κβαντικού υπολογιστή.
naftemporiki.gr - physicsworld.com

Η διάσπαση του ηλεκτρονίου σε οrbiton και spinon

Ο Thorsten Schmitt και οι συνεργάτες του γιορτάζουν την ανακάλυψη του orbiton

Το ηλεκτρόνιο ως γνωστόν θεωρείται ως ένα από τα στοιχειώδη σωματίδια του Σύμπαντος, όπως τα κουάρκ, τα νετρίνα κ.λ.π.
Στοιχειώδη σωματίδια σημαίνει ότι δεν έχουν δομή – δεν έχουν άλλα συστατικά - άρα δεν μπορούν να διαχωριστούν.
Κι όμως ερευνητές είχαν ήδη ανακαλύψει δυο τρόπους διαχωρισμού των ηλεκτρονίων σε ψευδο-σωματίδια ή ημι-σωματίδια (quasi-particles), τα οποία μπορούν να κινούνται ως ανεξάρτητα σωματίδια με τα δικά τους χαρακτηριστικά. Τώρα μια άλλη ομάδα επιστημόνων επιβεβαιώνει με δημοσίευση στο περιοδικό Nature και έναν τρίτο τρόπο διαχωρισμού των ηλεκτρονίων σε quasi-particles, τα orbitons, τα οποία συμπεριφέρονται σαν ανεξάρτητα σωματίδια, αλλά δεν μπορούν να εγκαταλείψουν το υλικό στο οποίο δημιουργήθηκαν αποκτώντας πλήρη ανεξαρτησία.
Είχε προηγηθεί η ανακάλυψη των ψευδο-σωματιδίων: του «holon» και του «spinon». 
Το 1996 για πρώτη φορά οι επιστήμονες είχαν διαχωρίσει ένα ηλεκτρόνιο σε «spinon» και «holon» και τώρα κατόρθωσαν να «διασπάσουν» το ηλεκτρόνιο σε «orbiton» και «spinon». Το επόμενο και τελικό βήμα θα είναι ο διαχωρισμός ενός ηλεκτρονίου ταυτόχρονα και στα τρία «συστατικά» του: holon, spinon και orbiton.
Τα quasiparticles διευκολύνουν του φυσικούς να περιγράφουν κβαντομηχανικά την συλλογική συμπεριφορά ηλεκτρονίων ή ατόμων σε στερεά υλικά. Ίσως το πιο γνωστό παράδειγμα ψευδο-σωματιδίου είναι η «οπή», που περιγράφει την απουσία ηλεκτρονίων σε έναν ημιαγωγό, ως ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο.

Το orbiton είχε προβλεφθεί θεωρητικά πριν από μια δεκαετία. Πρόκειται για μια συλλογική διέγερση των ηλεκτρονίων σε ένα μονοδιάστατο στερεό που συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένα ηλεκτρόνιο - με τροχιακή στροφορμή, αλλά χωρίς σπιν ή ηλεκτρικό φορτίο.
Η ερευνητική ομάδα του Thorsten Schmitt χρησιμοποίησε τις εγκαταστάσεις Swiss Light Source του ινστιτούτου Paul Scherrer στην Ελβετία για να βομβαρδίσει με ακτίνες-Χ έναν στόχο από οξείδιο του στροντίου - χαλκού. Η ανίχνευση και η ανάλυση του φωτός που επανεκπέμπεται στη συνέχεια από το υλικό, αποκάλυψε την νέα συμπεριφορά των ηλεκτρονίων ως orbitons.
Στο πείραμά τους οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το οξείδιο Sr ₂CuO₃, το οποίο περιέχει μια 1D αλυσίδα ομάδων οξειδίου του χαλκού. Σε αυτές τις ομάδες, η θεμελιώδης κατάσταση των εξωτερικών ηλεκτρονίων ευθυγραμμίζονται έτσι ώστε τα σπιν να εναλλάσσονται, αλλά μπορούν να διεγερθούν σε διαφορετικές καταστάσεις διαμέσου της σκέδασης των φωτονίων της δέσμης των ακτίνων Χ.

Όταν ένα φωτόνιο των ακτίνων Χ αλληλεπιδρά με τον στόχο, ένα ηλεκτρόνιο εναλλάσσει την κατεύθυνση του σπιν του με το διπλανό του. Έτσι η εναλλαγή των σπιν γίνεται ασυνεχής. Οι ερευνητές παρατήρησαν δύο διακριτές ενέργειες διέγερσης: η μία αφορά αυτή την τοπική διαταραχή της διάταξης των σπιν των ηλεκτρονίων – το spinon - και την άλλη που σχετίζεται με τη συλλογική συμπεριφορά όλων των ηλεκτρονίων στην αλυσίδα του οξείδιου του χαλκού, και η οποία είναι το orbiton.

Στην πραγματικότητα, ο κβαντικός αριθμός τροχιακής στροφορμής του ηλεκτρονίου αντιστοιχεί στο χωρικό σχήμα του τροχιακού [του ηλεκτρονίου], και σε πραγματικά συστήματα τα τροχιακά σε ένα πλέγμα συμπλέκονται ισχυρά και συμπεριφέρονται σαν ένα πραγματικό quasiparticle, ένα orbiton, που μεταφέρει πληροφορίες σχετικά με την χωρική κατανομή των ηλεκτρονίων.
Το «spinon» σχετίζεται την ιδιότητα του σπιν (ιδιοπεριστροφή), το «holon» με το φορτίο του ηλεκτρονίου και το «orbiton» με την ιδιότητα της τροχιακής στροφορμής.
Αυτά τα τρία quasiparticles του ίδιου ηλεκτρονίου μπορούν να κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες και προς διαφορετικές κατευθύνσεις μέσα στο στερεό. Αυτό οφείλεται στην κυματική συμπεριφορά του ηλεκτρονίου, όταν περιορίζεται μέσα σε ένα υλικό, οπότε μπορεί να διαχωριστεί σε επιμέρους κύματα (τα quasiparticles) που μεταφέρουν ξεχωριστά τις βασικές ιδιότητές του.
Η πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης των orbitons αναμένεται να προσφέρει νέες γνώσεις σχετικά με την υπεραγωγιμότητα στις υψηλές θερμοκρασίες, η οποία εμφανίζεται συνήθως σε υλικά που περιέχουν οξείδια του χαλκού.

physicsworld.com -www.bbc.co.uk

To πρώτο δίκτυο για τη σύνδεση κβαντικών υπολογιστών

Η υπόσχεση των κβαντικών υπολογιστών έρχεται ένα βήμα πιο κοντά στην υλοποίηση με την παρουσίαση του πρώτου πειραματικού κβαντικού δικτύου, μέσω του οποίου συνδέθηκαν δύο εργαστήρια στη Γερμανία.

Αρκετά ερευνητικά ιδρύματα σε όλο τον κόσμο έχουν παρουσιάσει υποτυπώδεις κβαντικούς υπολογιστές, ωστόσο ένα βασικό πρόβλημα που δεν έχει ακόμα λυθεί είναι η σύνδεση αυτών των συστημάτων σε δίκτυα.

Το πρώτο κβαντικό δίκτυο επιτρέπει τώρα τη μετάδοση πληροφοριών υπό τη μορφή μεμονωμένων φωτονίων που ταξιδεύουν μέσα σε μια οπτική ίνα. Η πληροφορία αποθηκεύεται στη συνέχεια υπό τη μορφή μεμονωμένων ατόμων.

Η εντυπωσιακή μελέτη δημοσιεύεται την Πέμπτη στο περιοδικό Nature.

Και μηδέν και ένα

Στους σημερινούς υπολογιστές, η ελάχιστη ποσότητα πληροφορίας είναι το λεγόμενο bit, το οποίο μπορεί να πάρει είτε την τιμή «0» είτε την τιμή «1».

Στον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής, όμως, τα σωματίδια μπορούν να βρίσκονται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Και αυτό σημαίνει ότι ένα «κβαντικό bit», ή qubit, μπορεί να παίρνει τις τιμές «0», «1», ή «0 και 1» ταυτόχρονα.

Η ιδιότητα αυτή θα επέτρεπε στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν πολλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα και παράλληλα -θα μπορούσαν για παράδειγμα να «σπάνε» κρυπτογραφημένα δεδομένα σχεδόν ακαριαία, εξετάζοντας ταυτόχρονα όλες τις πιθανές λύσεις στο πρόβλημα.

Μια άλλη εφαρμογή των κβαντικών συστημάτων θα ήταν η μετάδοση κρυπτογραφημένων δεδομένων τα οποία θα ήταν αδύνατο να υποκλαπούν από χάκερ.

Κβαντική δικτύωση

Οι εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών θα ήταν όμως περιορισμένες χωρίς τη δυνατότητα διασύνδεσής τους.

Μια υποψήφια λύση προτείνουν τώρα ερευνητές του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Max Planck στο Γκάρχινγκ της Γερμανίας. Το σύστημά τους αποτελείται από δύο κόμβους που μπορούν να μεταδίδουν, να λαμβάνουν και να αποθηκεύουν qubit.

Στο πρώτο στάδιο, η πληροφορία αποθηκεύεται στον κόμβο κωδικοποιημένη στην κβαντική κατάσταση ενός ατόμου ρουβιδίου. Το άτομο αυτό μπορεί στη συνέχεια να μεταδώσει την πληροφορία εκπέμποντας ένα φωτόνιο, το οποίο μεταδίδεται στον δεύτερο κόμβο του δικτύου μέσω μιας οπτικής ίνας μήκους 60 μέτρων. Συγκεκριμένα, η κβαντική κατάσταση του ατόμου κωδικοποιείται στην κατάσταση πόλωσης του φωτονίου (πόλωση είναι μια ιδιότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων του φωτός που περιγράφει το επίπεδο πάνω στο οποίο κινούνται).

Όταν αυτό το φωτόνιο φτάσει στην άλλη άκρη του δικτύου, απορροφάται από ένα ίδιο άτομο ρουβιδίου, του οποίου η κβαντική κατάσταση αλλάζει και γίνεται ίδια με την κβαντική κατάσταση του ατόμου στον πρώτο κόμβο.

Η διαδικασία ισοδυναμεί τελικά με τη μετάδοση ενός qubit πληροφορίας από τον ένα κόμβο στον άλλο.

Η ύλη συναντά το φως

Το πρωτότυπο του πρώτου κβαντικού δικτύου δείχνει να λύνει ένα βασικό πρόβλημα των κβαντικών συστημάτων.

Ορισμένα από αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν άτομα, τα οποία παραμένουν ακίνητα και είναι έτσι ιδανικά για την αποθήκευση της πληροφορίας, ενώ άλλα συστήματα χρησιμοποιούν φωτόνια, τα οποία κινούνται ασταμάτητα και είναι έτσι ιδανικά για τη μετάδοση της πληροφορίας.

Το πρόβλημα είναι ότι είναι δύσκολο να χρησιμοποιήσει κανείς άτομα και φωτόνια ταυτόχρονα, αφού αυτά τα δύο είδη σωματιδίων σπάνια αλληλεπιδρούν.

Για να ξεπεράσουν το εμπόδιο, οι Γερμανοί ερευνητές τοποθέτησαν τα άτομα ρουβιδίου μέσα σε κοιλότητες με ανακλαστικά τοιχώματα. Το φωτόνιο που εισέρχεται στην κοιλότητα αναπηδά στα τοιχώματα χιλιάδες φορές, μέχρι που τελικά τυχαίνει να αλληλεπιδράσει με το άτομο ρουβιδίου και να του μεταδώσει την πληροφορία που μεταφέρει.

Η λύση είναι ευφυής, αυτό όμως δεν σημαίνει ότι είναι έτοιμη για πρακτική εφαρμογή: τα περισσότερα από τα φωτόνια που μεταδίδονται στο δίκτυο τελικά χάνονται στην πορεία, και η μετάδοση της πληροφορίας πετυχαίνει μόνο στο 0,2% των περιπτώσεων.

Οι ερευνητές, πάντως, είναι αισιόδοξοι ότι θα αντιμετωπίσουν σταδιακά αυτούς τους περιορισμούς και θα βελτιώσουν το δίκτυο αρκετά ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος.
news.in.gr

Κινηματογράφησαν την κβαντική συμβολή μεγάλων μορίων

Ο κυματοσωματιδιακός δυισμός των μορίων σε πείραμα διπλής σχισμής

Το πείραμα των δύο σχισμών (γνωστό και ως πείραμα του Γιάνγκ) αναδεικνύει την κυματική συμπεριφορά σωματιδίων (π.χ. ηλεκτρόνια).
Τα μικροσκοπικά σωματίδια που εκπέμπονται από μια πηγή, διέρχονται δια μέσου μιας διάταξης δύο παράλληλων σχισμών, και στη συνέχεια αφήνουν το ίχνος τους σε μια οθόνη. Το σχήμα που προκύπτει από την κατανομή των ιχνών δείχνει ότι τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ως κύμα δημιουργώντας το φαινόμενο της συμβολής - ένα καθαρά κυματικό φαινόμενο. 
Το βίντεο δείχνει σε πραγματικό χρόνο την δημιουργία κβαντομηχανικής συμβολής από τεράστια μόρια με 58 άτομα (C ₃₂ H ₁₈ N ₈) και 114 άτομα (C ₄₈ H ₂₆ F ₂₄ Ν ₈ O ₈ ).  Nature Nanotechnology (DOI:10.1038/nnano.2012.34). 

Δείτε το βίντεο ΕΔΩ

To προσωπικό αρχείο του Άλμπερτ Αϊνστάιν στο διαδίκτυο

Η καταπληκτική συλλογή περιλαμβάνει περισσότερα από 80.000 έγγραφα που ανήκουν στον Άλμπερτ Αϊνστάιν- συμπεριλαμβανομένης και μιας χειρόγραφης ερμηνείας της φημισμένης εξίσωσης E = mc² 

Ιερουσαλήμ, Ισραήλ
Το πλήρες αρχείο του Άλμπερτ Αϊνστάιν, το οποίο περιλαμβάνει την προσωπική αλληλογραφία του, καθώς και τα χειρόγραφα επιστημονικά σημειωματάριά του, όπου, μεταξύ άλλων, βρίσκεται για πρώτη φορά καταγραμμένη η διάσημη εξίσωση E=mc2, παρουσιάζεται online από το Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ.
Σε πρώτη φάση είναι διαθέσιμα στο Διαδίκτυο γύρω στα 2.000 έγγραφα και θα ακολουθήσουν
μέσα στα επόμενα χρόνια και άλλα, αναφέρουν οι βρετανικές εφημερίδες Guardian και Daily Mail.
Η online συλλογή περιλαμβάνει 14 σημειωματάρια γεμάτα επιστημονικές εργασίες, επιστολές του Αϊνστάιν σε συναδέλφους του επιστήμονες, καθώς και μια χειρόγραφη εξήγηση της θεωρίας της σχετικότητας και της διάσημης εξίσωσης που συσχετίζει την μάζα (m) με την ενέργεια (Ε) και την ταχύτητα (c),

Ε = mc² 

Υπάρχουν ακόμα λιγότερο γνωστά κείμενα, όπως μια κάρτα στην άρρωστη μητέρα του, η αναγγελία του γάμου του, η ιδιωτική αλληλογραφία με τις ερωμένες του, επιστολές σε εφημερίδες για διάφορα θέματα (π.χ. τη διαμάχη Αράβων και Ισραηλινών) και σωρεία επιστολών που έπαιρνε από ανθρώπους που τον καλούσαν να κουρευτεί!
Το Εβραϊκό Πανεπιστήμιο προτίθεται να δώσει στη δημοσιότητα ένα αντίγραφο από τον «έλεγχο» του Αϊνστάιν, όταν ήταν στο σχολείο, για να διαλύσει τον μύθο ότι ήταν κακός μαθητής.
Η αλληλογραφία του με άλλους επιστήμονες, όταν ήταν μόλις 20 ετών, δείχνει πόσο προχωρημένη ήταν κιόλας η έρευνά του.
Τα κείμενα και λοιπά προσωπικά αντικείμενα, όπως ταχυδρομικές κάρτες, του διάσημου Nομπελίστα Γερμανο-εβραίου φυσικού, βρίσκονταν έως τώρα επιμελώς φυλαγμένα σε χρηματοκιβώτια.
Το Πανεπιστήμιο τα φωτογράφισε σε υψηλή ανάλυση και αποφάσισε να τα ανεβάσει σταδιακά στο Internet, δίνοντας τη δυνατότητα στους ενδιαφερόμενους να διαμορφώσουν μια πιο ολοκληρωμένη άποψη για την προσωπικότητα και το έργο του ανθρώπου που σφράγισε την επιστήμη του 20ού αιώνα.

Μόνο 900 εικόνες των χειρογράφων του και ένας ημιτελής κατάλογος με το μισό περιεχόμενο του αρχείου είχε δημοσιοποιηθεί το 2003.
Τώρα, χάρη σε χορηγία του βρετανικού Ιδρύματος Πολόνσκι -είχε κάνει μια ανάλογη ψηφιοποίηση στα χειρόγραφα του Ισαάκ Νεύτωνα- και τα 80.000 αντικείμενα της συλλογής του Άλμπερτ Αϊνστάιν καταγράφηκαν και ταξινομήθηκαν σε έναν πλήρη διαδικτυακό κατάλογο.Η ανανεωμένη ιστοσελίδα του πανεπιστημίου για τον Αϊνστάιν περιέχει τον κατάλογο του πλήρους αρχείου και δίνει την ευκαιρία στους ερευνητές να αναζητήσουν αντικείμενα που μέχρι σήμερα δεν ήξεραν καν ότι υπάρχουν.

«Η γνώση δεν έχει να κάνει με την απόκρυψη, αλλά με τη διαφάνεια» δήλωσε ο πρόεδρος του

Εβραϊκού Πανεπιστημίου, Μεναχέμ Μπεν Σασόν.

Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Αϊνστάιν είχε βοηθήσει στην ίδρυση του Εβραϊκού Πανεπιστημίου το 1925 και κληροδότησε σε αυτό το αρχείο του -καθώς και τα δικαιώματα χρήσης της εικόνας του- μετά το θάνατό του το 1955.

Η ψηφιοποίηση γίνεται σε συνεργασία με το αμερικανικό πανεπιστήμιο Πρίνστον (όπου εργαζόταν ο Αϊνστάιν) και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech), που έχουν αναλάβει να εκδώσουν σχολιασμένα όλα τα επιστημονικά χειρόγραφα του μεγάλου φυσικού.

Το ψηφιακό αρχείο του Αϊνστάιν μπορεί κανείς να δει εδώ

news.in.gr - dailymail.co.uk - guardian.co.uk

Τι δεν είναι το σπιν

.... το σπιν του ηλεκτρονίου δεν μπορεί να είναι αυτό που νομίζουμε: δηλαδή περιστροφή του ηλεκτρονίου γύρω από τον άξονά του ...

H κλασική εικόνα του ηλεκτρονίου ως φορτισμένης σφαίρας που περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της δημιουργώντας μαγνητικό πεδίο

«Ο ομοιοπολικός δεσμός πραγματοποιείται με τη σύζευξη δυο μονήρων ηλεκτρονίων αντίθετου spin, τα οποία ανήκουν σε δυο άτομα του ίδιου ή διαφορετικού στοιχείου.
Η σύζευξη πραγματοποιείται, επειδή, από την αντίθετη περιστροφή των ηλεκτρονίων με διαφορετικό spin, δημιουργούνται γύρω από αυτά μαγνητικά πεδία με αντίθετη φορά. Κατά συνέπεια, ο ομοιοπολικός δεσμός είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσεως σε αντιπαράθεση με τον ετεροπολικό δεσμό, που είναι ηλεκτροστατικής φύσης» ΧΗΜΕΙΑ, Παύλου Οδ. Σακελλαρίδη

Σύμφωνα με την παραπάνω περιγραφή το ηλεκτρόνιο είναι ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο που περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του. Εξαιτίας αυτής της περιστροφής δημιουργεί μαγνητικό πεδίο (κινούμενο φορτίο δημιουργεί μαγνητικό πεδίο), οπότε συμπεριφέρεται σαν ένας μικρός μαγνήτης. Συνεπώς, τα δυο ηλεκτρόνια που σχηματίζουν τον ομοιοπολικό δεσμό έλκονται σαν δυο μαγνήτες, αφού έχουν αντίθετο σπιν. Κι όμως ...
Η εικόνα που θεωρεί το σπιν ως αποτέλεσμα της ιδιοπεριστροφής του ηλεκτρονίου είναι απολύτως λανθασμένη.
Ας δούμε γιατί, εξετάζοντας τους δυο βασικότερους λόγους, που περιγράφονται από τον Στέφανο Τραχανά, στο βιβλίο «Κβαντομηχανική Ι, Θεμελιώδεις Αρχές – Δομή της Ύλης»:

επιχείρημα 1. Αν το σπιν οφειλόταν πράγματι σε περιστροφή του ηλεκτρονίου περί τον άξονά του, η ταχύτητα περιφοράς ενός σημείου στον ισημερινό του θα ήταν μεγαλύτερη – στην πραγματικότητα πολύ μεγαλύτερη – από την ταχύτητα του φωτός.
επιχείρημα 2. Αν δεχτούμε ξανά την κλασική εικόνα του σπιν ως ιδιοπεριστροφής, τότε θα πρέπει να περιμένουμε ότι, κατά τις συγκρούσεις των ηλεκτρονίων μεταξύ τους ή με άλλα σωματίδια, θα μπορούν να διεγερθούν ανώτερες καταστάσεις ιδιοπεριστροφής, οπότε τα ηλεκτρόνια θα έπρεπε να εμφανίζονται και με άλλες τιμές του κβαντικού αριθμού s πέραν της s=1/2. Το οποίο όμως δεν συμβαίνει ποτέ! Ο κβαντικός αριθμός του σπιν είναι παγωμένος στη μια και μοναδική τιμή του (s=1/2) ως ένα σταθερό στοιχείο ταυτότητας του ηλεκτρονίου, όπως η μάζα ή το φορτίο του.

Aς εξετάσουμε αναλυτικά το επιχείρημα 1. Δεδομένου ότι η στροφορμή κάθε σώματος στρεφομένου περί έναν άξονα είναι Ι•ω, όπου Ι η ροπή αδρανείας του ως προς αυτόν το άξονα και ω η γωνιακή ταχύτητα περιστροφή του, τότε για το ηλεκτρόνιο θα είναι

Ι•ω=s_z = ħ/2             (1)

όπου Ι=2mα²/5 η ροπή αδράνειας του ηλεκτρονίου, αν αυτό θεωρηθεί ως ένα σφαιρίδιο ακτίνας α και μάζας m ομοιόμορφα κατανεμημένης μέσα στον όγκο του. Όποια όμως κι αν είναι αυτή η κατανομή, θα είναι πάντα όπου Ι=kmα² με k κάποιον αριθμό λίγο μικρότερο από τη μονάδα, οπότε – και μάλιστα στο πλαίσιο της ενός υπολογισμού τάξης μεγέθους – μπορούμε πάντα να θέσουμε Ι≈ mα² καθώς και s≈ ħ, οπότε η εξ. (1) γράφεται

mα²ω ≈ ħ ή mαυ ≈ ħ (2)

όπου υ=αω η γραμμική ταχύτητα στον ισημερινό του ηλεκτρονιακού σφαιριδίου. Ποια είναι όμως η τιμή του α; Σύμφωνα με τα δεδομένα που προκύπτουν από τα πειράματα υψηλών ενεργειών με ηλεκτρόνια, αν υπάρχει ακτίνα για το ηλεκτρόνιο – διότι οι σημερινές θεωρίες το χειρίζονται ως σημειακό σωματίδιο - τότε αυτή θα είναι σίγουρα μικρότερη από 10^-17cm!
Mε

m≈10^-27 g, ħ≈^-27erg•sec και α≈10^-17cm

η εξίσωση (2) δίνει αμέσως

υ = ħ/mα = 10¹⁷ cm/sec ≈ 3 x 10⁶c !

το οποίο σημαίνει ότι για να έχει το ηλεκτρόνιο μια ιδιοστροφορμή της τάξεως του ħ η γραμμική ταχύτητα περιφοράς στον ισημερινό του θα πρέπει να υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός κατά τρία εκατομμύρια φορές !

Εξίσου αποφασιστικό είναι και το επιχείρημα 2. Αν τα ηλεκτρόνια ήταν κάτι σαν «μπάλες του μπιλιάρδου», θα ήταν αδύνατον να εξηγηθεί το αμετάβλητο της περιστροφικής τους κατάστασης: ότι ενώ συγκρούονται συνεχώς και με τεράστιες ταχύτητες, το «σπιν» τους ούτε αυξάνεται – έστω με κβαντικά άλματα – ούτε μειώνεται. Οι ιδιόμορφες αυτές μπάλες φαίνεται να είναι καταδικασμένες να περιστρέφονται εσαεί με την ίδια ακριβώς γωνιακή ταχύτητα!
Το συμπέρασμα είναι σαφές και δεν χρειάζεται περαιτέρω υποστήριξη:
το σπιν δεν είναι περιστροφική κίνηση του ηλεκτρονίου περί τον άξονά του. Η πραγματική κατανόηση του σπιν αρχίζει από αυτό ακριβώς το σημείο: την απόρριψη της κλασικής εικόνας.

Φυσική ή φυσική αγωγή;

Σκηνή από την ταινία "Little Man Tate" (1991 - σκηνοθεσία: Jodie Foster). Στην Ελλάδα παίχτηκε με τον τίτλο "Ο μικρός κύριος Τέιτ"
http://youtu.be/f0Q5R9-yqJw

Η κβαντομηχανική υπό ισχυρή … συμπίεση

Η επιστήμη των μυστικών

Τα άλματα της κρυπτογραφίας και το αχνό κβαντικό της μέλλον

Γερμανική μηχανή κρυπτογραφίας Lorenz, του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου

Γράφει ο Χάρης Βάρβογλης (καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ) (αναδημοσίευση από το tovima.gr)
Η αποστολή μηνυμάτων σε «φίλους», με τη φροντίδα να μην τα διαβάσουν οι «εχθροί», είναι γνωστό ότι απασχολεί τους ανθρώπους από τα ιστορικά χρόνια. Στη σύγχρονη όμως εποχή αποτελεί πια στοιχείο της καθημερινής ζωής, από τη λειτουργία των κινητών τηλεφώνων ως τη διενέργεια τραπεζικών πράξεων μέσω του Διαδικτύου. Πόσο άραγε έχει εξελιχθεί η επιστήμη της κρυπτογραφίας από τις πρώτες ιστορικές αναφορές και πόσο ασφαλή είναι τα συστήματα που χρησιμοποιούμε σήμερα για παρόμοιους σκοπούς;

Μια από τις παλαιότερες αναφορές στην αποστολή «κρυφών» μηνυμάτων είναι σίγουρα το περιστατικό που διηγείται ο Ηρόδοτος σχετικά με την κήρυξη της επανάστασης των ιωνικών πόλεων κατά των Περσών, η οποία απετέλεσε και την αφορμή για τους ελληνοπερσικούς πολέμους.

Σύμφωνα λοιπόν με τον Ηρόδοτο, ο Ιστιαίος, πρώην τύραννος της Μιλήτου και «φιλοξενούμενος» στην αυλή του Δαρείου για λόγους προληπτικής επιτήρησης, ήθελε να ειδοποιήσει τον διάδοχό του στη διοίκηση της Μιλήτου, Αρισταγόρα, να κηρύξει επανάσταση κατά των Περσών. Την άνοιξη του 499 π.Χ. λοιπόν κούρεψε έναν έμπιστο δούλο του και έγραψε στο δέρμα του κεφαλιού του το μήνυμα «Ἱστιαῖος Ἀρισταγόρᾳ· Ἰωνίαν ἀπόστησον» (ο Ιστιαίος προς τον Αρισταγόρα: ξεσήκωσε σε αποστασία την Ιωνία). Στη συνέχεια περίμενε να μεγαλώσουν τα μαλλιά του δούλου και τον έστειλε στον Αρισταγόρα, με την προφορική οδηγία να ζητήσει από τον Αρισταγόρα να τον κουρέψει, για να φανεί το μήνυμα που μεταφέρει....

Alain Aspect: ο άνθρωπος που απέδειξε πειραματικά ότι ο Θεός παίζει ζάρια

Tο 1935, ο Einstein εξαπολύει την τελική του επίθεση εναντίον της κβαντομηχανικής διατυπώνοντας το παράδοξο EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) αμφισβητώντας ότι η κβαντομηχανική μπορεί να περιγράψει την πραγματικότητα και ότι πρόκειται για μια ατελή θεωρία.
Σύμφωνα με τους EPR, ήταν αναγκαία η εισαγωγή κάποιων επιπλέον μεταβλητών (οι περίφημες «κρυμμένες μεταβλητές») που θα εξαφάνιζαν την απροσδιοριστία και την μη-τοπικότητα της κβαντομηχανικής.
Ο John Stewart Bell (1928 - 1990), ένας φυσικός από τη Βόρεια Ιρλανδία, με την διατύπωση του θεωρήματος Bell, έβαλε ταφόπλακα σε κάθε θεωρία κρυμμένων μεταβλητών, ενώ ο Alain Aspect - Γάλλος φυσικός, γεννημένος το 1947 στις αρχές του 1980 επιβεβαίωσε πειραματικά τη θεωρία του Bell.
Μια και ο Alain Aspect είναι υποψήφιος για το Nobel Φυσικής 2011, καλό θα ήταν να γνωρίζουμε τι ακριβώς απέδειξε με το πείραμά του. Για να γίνει αυτό πρέπει να πάρουμε τα πράγματα από την αρχή...

Η ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ
Η «είσοδος» των πιθανοτήτων στη θεμελιώδη φυσική 
Είναι η κβαντομηχανική μια πλήρης θεωρία;

Το μόνο που μπορούμε να γνωρίζουμε για ένα σωματίδιο – π.χ. το ηλεκτρόνιο στο άτομο του υδρογόνου – είναι η πιθανότητα να το βρούμε εδώ ή εκεί στο χώρο.
Η πιθανότητα αυτή – η πιθανότητα ανά μονάδα όγκου – δίνεται από το τετράγωνο της κυματοσυνάρτησης του ηλεκτρονίου.
Ποια αναγκαιότητα εισάγει τις πιθανότητες στη φυσική;
Υπάρχει κάποια «λογική» που οδηγεί στην «παράλογη» στατιστική ερμηνεία;
Προφανώς και υπάρχει.

Για να εξηγηθεί για παράδειγμα το μεγαλύτερο μυστήριο του μικροκόσμου – η σταθερότητα των ατόμων – οι φυσικοί έπρεπε να υιοθετήσουν την μόνη λογική εξήγηση, την κβάντωση, στη συνέχεια την κυματική συμπεριφορά της ύλης ως τη μόνη ερμηνεία της κβάντωσης και τέλος την στατιστική ερμηνεία ως την μόνη φυσιολογική εξήγηση της συνύπαρξης κυματικών και σωματιδιακών ιδιοτήτων.
Η στατιστική ερμηνεία δεν υιοθετήθηκε «ελαφρά τη καρδία», αλλά ως αδήριτη ανάγκη.

Ένα ερώτημα που τέθηκε με την εμφάνιση της κβαντομηχανικής ήταν το εξής:
«είναι οι κβαντομηχανικές πιθανότητες θεμελιώδεις ή αποτέλεσμα της ατελούς μας γνώσης;
με άλλα λόγια
«είναι η κβαντομηχανική μια πλήρης θεωρία» ή εκκρεμεί η συμπλήρωσή της μ’ ένα βαθύτερο αιτιοκρατικό υπόστρωμα; (Όπως π.χ. η «συμπλήρωση» της κλασικής θερμοδυναμικής με την κινητική θεωρία και τη στατιστική μηχανική).

Είναι γνωστό ότι ο Einstein πίστευε ότι οι πιθανότητες που υπεισέρχονται στην κβαντομηχανική δεν είναι θεμελιώδεις. Είναι αποτέλεσμα της ατελούς μας γνώσης. Η κβαντομηχανική παρά τις αναμφισβήτητες επιτυχίες της – σύμφωνα πάντα με τον Einstein – δεν πρέπει να θεωρηθεί ως μια τελική θεωρία.
Θα πρέπει να συμπληρωθεί πιθανόν με την εισαγωγή κάποιων κρυμμένων μεταβλητών των οποίων η γνώση θα μας επιτρέψει να προβλέπουμε χωρίς απροσδιοριστία το αποτέλεσμα κάθε κβαντομηχανικού πειράματος.
Ο φημισμένος φυσικός πίστευε ότι κάποτε θα επιτευχθεί η «απο-κβαντομηχανοποίηση» του κόσμου και ο ντετερμινισμός θα επιστρέψει.
Αντιμετώπιζε τα φαινόμενα της κβαντομηχανικής σαν την τυχαία ρίψη ενός κέρματος. Η αδυναμία μας να προβλέψουμε αν θα έρθει κορώνα ή γράμματα οφείλεται στο ότι δεν γνωρίζουμε όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν την κίνηση του κέρματος (τρόπος ρίψης, διακυμάνσεις πυκνότητας του αέρα, ανωμαλίες εδάφους κλπ...).
Αν όλοι οι παράγοντες ήταν γνωστοί και διαθέταμε και έναν υπερυπολογιστή που θα έλυνε τις κλασικές εξισώσεις κίνησης, τότε θα μπορούσαμε να προβλέψουμε το αποτέλεσμα της ρίψης.

Με τον ίδιο τρόπο αντιμετώπιζε και ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο, όπως την πιθανότητα διέλευσης ενός σωματιδίου από ένα κλασικά απαγορευμένο φράγμα δυναμικού.

Η σχολή της Κοπεγχάγης (Bohr et al) υποστήριζε ότι οι κβαντομηχανικές πιθανότητες είναι θεμελιώδεις και ότι η φύση είναι εγγενώς πιθανοκρατική. Το γιατί ένα σωματίδιο περνάει ή όχι ένα φράγμα δυναμικού δεν οφείλεται σε κάτι που δεν γνωρίζουμε. Είναι στη φύση των πραγμάτων. Το τι θα κάνει το σωματίδιο σε κάθε συγκεκριμένο πείραμα δεν το ξέρει ούτε ο ...Θεός.
(Γι αυτό ο Einstein ωρυόταν ότι ο Θεός δεν παίζει ζάρια. Μετά από χρόνια ο Hawking ισχυρίστηκε ότι, Θεός όχι μόνο παίζει ζάρια, αλλά μερικές φορές τα ρίχνει και σε μέρη που δεν μπορούμε να τα βρούμε).

Tο 1935, ο Einstein εξαπολύει την τελική του επίθεση εναντίον της κβαντομηχανικής διατυπώνοντας το παράδοξο EPR (Einstein, Podolsky, Rosen) – [Physical Review 47, 777 (1935)]....

Χιλιόγραμμο: Ο νέος ορισμός της μονάδας μάζας

...με βάση το κβαντικό φαινόμενο Hall
Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διαπερνά μια μεταλλική επιφάνεια μέσα σε ένα κάθετο σε αυτήν μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς την άκρη της επιφάνειας δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού κάθετα προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο Hall. Ανακαλύφθηκε το 1879 από έναν αμερικανό φυσικό τον Ε.H. Hall. Το φαινόμενο αυτό έχει μελετηθεί σε βάθος και είναι πλήρως κατανοητό σε μέταλλα και ημιαγωγούς.

Στις πειραματικές μετρήσεις του φαινομένου Hall βρέθηκε ότι η αντίσταση Hall (R_H) αυξάνεται γραμμικά σαν συνάρτηση του μαγνητικού πεδίου Β
Μια εντελώς νέα φυσική μας αποκαλύπτεται όταν το φαινόμενο αυτό μελετάται σε δισδιάστατα συστήματα.
Το 1980 ο von Klitzing έδειξε ότι σε δισδιάστατα συστήματα η αγωγιμότητα Hall έχει διακριτές τιμές (Nobel 1985). Είναι ανάλογη της ποσότητας e²/h, όπου e το φορτίο του ηλεκτρονίου και h η σταθερά του Planck. Ο κβαντισμός της αγωγιμότητας Hall είναι απίστευτα ακριβής και αυτή η ακρίβεια οδήγησε στον επανακαθορισμό της μονάδας της ηλεκτρικής αντίστασης από την σταθερά R_K=h/ e² = 25,812.807557 (18) Ω (Το κβαντικό φαινόμενο Hall προσφέρει επίσης έναν ανεξάρτητο και εξαιρετικά ακριβή τρόπο καθορισμό της σταθεράς λεπτής υφής , μια ποσότητα με θεμελιώδη σημασία για την κβαντική ηλεκτροδυναμική).

Το κβαντικό φαινόμενο Hall μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στον επανακαθορισμό της μονάδας μάζας, του χιλιόγραμμου. Το πρότυπο χιλιόγραμμο κατασκευασμένο από πλατίνα και ιρίδιο φυλάσσεται στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στο Παρίσι. Όμως κατά τα τελευταία 60 χρόνια οι συγκρίσεις της μάζας αυτής με πανομοιότυπα αντίγραφα δείχνουν ότι μάζα του προτύπου μεταβάλλεται. Για τον λόγο αυτό οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν έναν καινούργιο τρόπο ορισμού του χιλιογράμμου χρησιμοποιώντας ακριβείς θεμελιώδεις σταθερές.
Μια δημοφιλής μέθοδος είναι η «ισορροπία watt», η σύγκριση του βάρους ενός σώματος με μια ηλεκτρομαγνητική δύναμη.
H “ισορροπία watt” είναι στην πραγματικότητα ένα όργανο μέτρησης που μετρά το βάρος ενός σώματος με πολύ μεγάλη ακρίβεια συναρτήσει της έντασης και τάσης του ηλεκτρικού ρεύματος. Το όνομα οφείλεται στο γεγονός ότι η μάζα τελικά υπολογίζεται από μια μαθηματική σχέση που περιέχει το γινόμενο V•I, το οποίο εκφράζει την ηλεκτρική ισχύ που μετρείται σε watt.

Η πειραματική διάταξη "ισορροπίας watt" στο NIST (National Institute of Standards and Technology)

H μέθοδος βασίζεται στην υπόθεση ότι ο λόγος h/e² είναι ανεξάρτητος από το υλικό που χρησιμοποιείται για την μέτρησή του. Οι επιστήμονες έχουν πραγματοποιήσει μετρήσεις με διαφορετικά υλικά - μεταξύ αυτών και γραφένιο - επιβεβαιώνοντας την παγκοσμιότητα του πηλίκου h/e².  Η ισορροπία watt χρησιμοποιεί το πηλίκο  αυτό μαζί με την μέτρηση της κβαντικής αντίστασης Hall, για να ορίσει το χιλιόγραμμο συναρτήσει του h.
Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν στο σχεδιασμό και τη λειτουργία της ισορροπίας watt. Για παράδειγμα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη στην συσκευή της «ισορροπίας watt» πρέπει να ευθυγραμμίζεται πλήρως με την βαρύτητα. Και δεδομένου ότι απαιτούνται ελαχιστότατες αποκλίσεις, οι ευθυγραμμίσεις πραγματοποιούνται πολύ δύσκολα
Ο επαναπροσδιορισμός του προτύπου χιλιογράμμου είναι τώρα το ένα από τα κύρια θέματα στον τομέα της μετρολογίας. Την επόμενη εβδομάδα, οι «metrologists» θα συγκεντρωθούν στο Παρίσι για την 24η Γενική Διάσκεψη Μέτρων και Σταθμών για να συζητήσουν την ουσία της ισορροπίας watt και άλλες προτάσεις για τον επαναπροσδιορισμό του χιλιογράμμου.
Δείτε ένα σχετικό βίντεο
 
physicsworld.com - en.wikipedia.org - ikaros.teipir.gr

Διαβάστε επίσης:
1. Γιατί συμφέρει να μετράμε την μάζα σε μέτρα και όχι σε χιλιόγραμμα
2. Πότε ένα χιλιόγραμμο παύει να είναι ένα χιλιόγραμμο;
3. Οι Μονάδες ενώνουν τον κόσμο

Κβαντικό τσιπάκι!

Το όνειρο των κβαντικών μικρο-υπολογιστών βρίσκεται πλέον σε «απόσταση αναπνοής», χάρη στην εντυπωσιακή πρόοδο των τελευταίων μηνών
Το πρώτο τσιπάκι κβαντικού μικροϋπολογιστή παρουσιάστηκε στον κόσμο την 1η Σεπτεμβρίου 2011. Σημειώστε αυτή την ημέρα

Πριν από τριάντα χρόνια, το 1981, όταν η ΙΒΜ παρουσίασε τον πρώτο της προσωπικό μικροϋπολογιστή, ο κόσμος μας μπήκε στη νέα εποχή της πληροφορικής. Εφέτος, όπως ίσως γράψει η Ιστορία, ο κόσμος περνάει σε εντελώς νέο κεφάλαιο, με την παρουσίαση του πρώτου κβαντικού υπολογιστή που μπορεί αντικαταστήσει τον PC.....

H πρώτη πώληση κβαντικού υπολογιστή

ΤΟΝ ΠΡΩΤΟ ΚΒΑΝΤΙΚΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΑΓΟΡΑΣΕ Η LOCKHEED MARTIN
Του ΤΟΜ SIMONITE
Σε μία προσπάθεια να κάνει τους υπολογιστές να μαθαίνουν γρηγορότερα, η εταιρεία όπλων Λόκχιντ Μάρτιν αγόρασε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί την κβαντομηχανική για να επεξεργαστεί ψηφιακά δεδομένα.

Τα τσιπ του D-Wave κατασκευάζονται πάνω σε πλακίδια πυριτίου, χρησιμοποιώντας πολλές από τις τεχνικές που συναντώνται στην κατασκευή ημιαγωγών. Στην καρδιά του συστήματος D-Wave One βρίσκεται ένας επεξεργαστής που αποτελείται από 128 qubits.

Εδωσε στη νεοσύστατη εταιρεία D-Wave Systems 10 εκατομμύρια δολάρια για τον υπολογιστή και την τεχνική υποστήριξη. Η D-Wave υποστηρίζει πως πρόκειται για την πρώτη πώληση ενός κβαντικού υπολογιστή.
Το νέο σύστημα, που ονομάζεται D-Wave One, δεν έχει σημαντικές διαφορές στην απόδοση από έναν συμβατικό υπολογιστή. Ομως θα μπορούσε να αποτελέσει ένα βήμα στο δρόμο για την περαιτέρω εφαρμογή της τεχνολογίας των κβαντικών υπολογιστών, που θεωρητικά μπορούν να λύσουν προβλήματα τα οποία είναι άλυτα για τους συμβατικούς. Ενα παράδειγμα είναι η παραβίαση κρυπτογραφημένων συστημάτων μέσω της επίλυσης μαθηματικών προβλημάτων σε απίθανες ταχύτητες.....