το κβαντικό μέλλον είναι κοντά (και θα αναποδογυρίσει πολλά…)


με αφορμή έναν δορυφόρο…
(…που θα κάνει κβαντικά πειράματα στο διάστημα)

Ηεμφάνιση ολοένα και πιο ακραία καινοτόμων τεχνολογικών εφαρμογών έχει γίνει εδώ και χρόνια μια βαρετή κοινοτοπία των ηλεκτρονικών μέσων της αντίστοιχης θεματολογίας. Σε βαθμό που οτιδήποτε κι αν ισχυριστεί μια τέτοια είδηση ως επίτευγμα φαντάζει εξωπραγματικό μεν, αλλά συνηθισμένο. Στις 16 Αυγούστου, σε μια πλειάδα ηλεκτρονικών μέσων, τόσο σχετικών με την φυσική όσο και απλά ειδησεογραφικών, εμφανίστηκε με μικρές παραλλαγές αλλά παντού με βαρύγδουπους τίτλους, η παρακάτω είδηση: [1]

China Launches First-ever Quantum Communication Satellite

Η Κίνα εκτόξευσε με επιτυχία τον πρώτο κβαντικό δορυφόρο του κόσμου από το Κέντρο Εκτόξευσης δορυφόρων Jiuquan στην βορειοδυτική Έρημο Gobi στις 01:40 την Τρίτη.
Μέσα σε ένα σύννεφο πυκνού καπνού, ο δορυφόρος Quantum Experiments at Space Scale (QUESS), βρυχήθηκε στον σκοτεινό ουρανό στην κορυφή ενός πυραύλου Long March-2D.
Ο δορυφόρος των 600-και-κάτι-κιλών θα ολοκληρώνει μια περιστροφή γύρω από την Γη κάθε 90 λεπτά, αφού εισέλθει σε ηλιοσύγχρονη τροχιά στο ύψος των 500 χιλιομέτρων.
Το παρατσούκλι του είναι Micius, από έναν Κινέζο φιλόσοφο και επιστήμονα στον οποίο αποδίδονται τα πρώτα οπτικά πειράματα στην ιστορία της ανθρωπότητας.
Στην διετή του αποστολή, ο QUESS σχεδιάστηκε για να εγκαθιδρύσει αδιαπέραστες σε χακαρίσματα (hack-proof) κβαντικές τηλεπικοινωνίες μεταδίδοντας κλειδιά που δεν “σπάνε” από το διάστημα προς το έδαφος και για να παρέχει γνώσεις σχετικά με το πιο παράξενο φαινόμενο στην κβαντική φυσική – την κβαντική σύζευξη.
Η κβαντική επικοινωνία επιδεικνύει υπερ-υψηλή ασφάλεια καθώς ένα κβαντικό φωτόνιο δεν μπορεί ούτε να διαχωριστεί ούτε να αντιγραφεί. Επομένως είναι αδύνατη η υποκλοπή, η αναχαίτιση ή το “σπάσιμο” της πληροφορίας που μεταδίδεται μέσω αυτού.
Με την βοήθεια του νέου δορυφόρου, οι επιστήμονες θα μπορούν να δοκιμάσουν τη διανομή κβαντικού κλειδιού μεταξύ του δορυφόρου και των σταθμών στο έδαφος και να διενεργήσουν ασφαλείς κβαντικές επικοινωνίες μεταξύ Beijing [στμ Πεκίνου] και Urumqi, της επαρχείας Xinjiang.
Ο QUESS, όπως σχεδιάζεται, θα ακτινοβολήσει επίσης συζευγμένα φωτόνια σε δύο σταθμούς στη γη, που απέχουν μεταξύ τους 1200 χιλιόμετρα, ώστε να δοκιμαστεί η κβαντική σύζευξη σε μεγαλύτερη απόσταση, καθώς και θα δοκιμαστεί η κβαντική τηλεμεταφορά μεταξύ του δορυφόρου και ενός σταθμού στο Ali του Θιβέτ.
“Η εκτόξευση αυτού του δορυφόρου σηματοδοτεί μια μετάβαση για τον ρόλο της Κίνας – από ακόλουθο των εξελίξεων στην ανάπτυξη των κλασικών τεχνολογιών της πληροφορίας σε έναν από τους ηγέτες που οδηγούν τα μελλοντικά επιτέυγματα αυτών των τεχνολογιών” δήλωσε ο Pan Jianwei, επικεφαλής επιστήμονας του πρότζεκτ QUESS, στην Κινέζικη Ακαδημία Επιστημών.
Οι επιστήμονες τώρα αναμένουν ότι οι κβαντικές τηλεπικοινωνίες θα αλλάξουν θεμελιωδώς την ανθρώπινη εξέλιξη στις επόμενες δύο ή τρεις δεκαετίες, καθώς υπάρχουν τεράστιες προοπτικές για την εφαρμογή της νέας γενιάς επικοινωνιών σε πεδία όπως η άμυνα, ο στρατός και η οικονομία.

Κβαντική σύζευξη, κβαντική κρυπτογραφία, κβαντική τηλεμεταφορά: όχι μόνο δεν μπορούμε καταρχήν να υποθέσουμε πώς λειτουργούν τα παραπάνω, αλλά ακόμα και ο προσδιορισμός των τεχνολογιών ως κβαντικών προκαλεί αμηχανία, πόσο μάλλον η έννοια της “σύζευξης” ή η “τηλεμεταφορά”.

Προτού οι οπαδοί της τηλεοπτικής σειράς Star Trek τρελαθούν από την χαρά τους (για την τηλεμεταφορά), που βέβαια εδώ δεν αφορά κάποια μικρά ή μεγάλα αντικείμενα αλλά δεδομένα (πληροφορίες…), ο πειραματικός τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος QUESS θα πρέπει να αντιμετωπίσει μερικά σοβαρά μη-κβαντικά τεχνικά ζητήματα. Σύμφωνα με δηλώσεις των επικεφαλής του πρότζεκτ QUESS:

Στις κβαντικές επικοινωνίες μια ακριβής εκπομπή φωτονίων μεταξύ του “εξυπηρετητή” και του “δέκτη” δεν είναι ποτέ εύκολο να πραγματοποιηθεί, καθώς ο οπτικός άξονας του δορυφόρου πρέπει να σημαδεύει ακριβώς προς αυτούς των τηλεσκοπίων στους σταθμούς εδάφους.
… Απαιτεί ένα σύστημα ευθυγράμμισης που είναι 10 φορές πιο ακριβές από αυτό ενός συνηθισμένου δορυφόρου και ο ανιχνευτής εδάφους μπορεί να πιάσει μόνο ένα στο εκατομμύριο από τα συζευγμένα φωτόνια που εκτοξεύονται…
… Αυτό που το κάνει ακόμα πιο δύσκολο είναι ότι με την ταχύτητα των οχτώ χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, με την οποία πετάει ο δορυφόρος πάνω από τη γη, θα είναι ανιχνεύσιμος από τον σταθμό εδάφους απλώς για μερικά λεπτά.
… Θα είναι σαν να ρίχνεις ένα κέρμα από ένα αεροπλάνο στα 100.000 μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας ακριβώς μέσα στη σχισμή ενός κουμπαρά.

Όσον αφορά την αντιμετώπιση των παραπάνω μηχανικών-οπτικών τεχνικών προβλημάτων μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι οι παλιοί καλοί νόμοι της φυσικής, με την βοήθεια των μαθηματικών και των σύγχρονων υπολογιστικών συστημάτων, θα μπορέσουν κάποια στιγμή μέσα στα επόμενα δύο χρόνια να “συγχρονίσουν” τον δορυφόρο με τους σταθμούς εδάφους· και έτσι με ευστοχία τα φωτόνια θα μπορέσουν να ακτινοβοληθούν. Δικαιούμαστε όμως να είμαστε το ίδιο σίγουροι για τα κβαντικά φαινόμενα που θα δοκιμαστούν και θα μελετηθούν; Από μια άποψη, το γεγονός και μόνο ότι ο δορυφόρος θα εκτελέσει “απλώς” κάποια πειράματα, σημαίνει ότι μπορεί και να αποτύχουν. Από την άλλη, αν αυτό που υπόσχεται η κβαντική τεχνολογία στο συγκεκριμένο ζήτημα, δηλαδή οι απόλυτα ασφαλείς επικοινωνίες, πρόκειται να πραγματοποιηθεί, τότε, αν αυτό είναι να γίνει, ας γίνει ακόμα και με τηλεμεταφορά! Αρκετοί άλλωστε με κάθε ευκαιρία επαναλαμβάνουν ότι το αίτημα για “ασφαλείς επικοινωνίες” είναι κομβικό στην μετά-Snowden εποχή. Εν τω μεταξύ, καθώς εξακολουθούμε να διανύουμε την εποχή της αυτο-έκθεσης και της οικειοθελούς εκχώρησης της ιδιωτικότητας στα κράτη (τους στρατούς και τις αστυνομίες τους) και τις εταιρίες, το ερώτημα  γίνεται εύλογο: Για ποιους είναι κομβική η ασφάλεια των επικοινωνιών και γιατί;
Πριν καταπιαστούμε όμως με ένα τέτοιο ερώτημα, υπάρχει και κάτι ακόμα που έχει τη δική του σημασία. Το γεγονός ότι η κβαντική φυσική, που σαν θεωρία πλησιάζει τα εκατοστά της γενέθλια, έρχεται να συγκεραστεί, αρκετά χρόνια μετά, με τις λεγόμενες τεχνολογίες της πληροφορικής και των επικοινωνιών. Αν οι τελευταίες αποτελούν αιχμή της τεχνολογικής αναδιάρθρωσης, η σύγκλιση αυτή – οι σκοπιμότητες και οι αναγκαιότητες του κεφαλαίου που την επικαθορίζουν – έχει σίγουρα ένα ξεχωριστό ενδιαφέρον.

 το κβαντικό μέλλον είναι κοντά

η κβαντική θεωρία απέναντι στις βεβαιότητες τις κλασικής μηχανικής (Ι)

Ποιες είναι οι βασικές αρχές αυτού που ονομάστηκε στις πρώτες δεκαετίες του 20ου αιώνα κβαντική μηχανική; Σε τι μοιάζει, και κυρίως, σε τι διαφέρει από αυτά που γνωρίζουμε ως ακλόνητους νόμους της κλασικής φυσικής; Αν και είναι αδύνατο μέσα σε λίγες σελίδες να απαντηθούν τέτοια ερωτήματα, εντούτοις θα πρέπει να έχουμε στο νου μας κάποια βασικά στοιχεία για την καταγωγή και την εξέλιξη μερικών από τις σύγχρονες “καινοτομίες”, όπως η κβαντική πληροφορική/υπολογιστική. Όχι μόνο γιατί πειράματα κβαντικών επικοινωνιών επιχειρούνται πλέον ακόμα και στο διάστημα, αλλά και επειδή η επιστήμη σαν ιδέα [2] στοιχειώνεται από τις έννοιες και τα “παράδοξα” της κβαντομηχανικής. Οι έννοιες αυτές φαίνεται να έρχονται πολλές φορές σε σύγκρουση και αντιφάσεις, όχι απλώς με τους νόμους της κλασικής φυσικής καθεαυτούς, αλλά ακόμα και με πιο θεμελιώδη αξιωματικά χαρακτηριστικά της κλασικής μηχανικής.
Θεμελιώδη χαρακτηριστικά της κλασικής φυσικής(- μηχανικής) αποτελούν η αιτιότητα και η συνακόλουθη δυνατότητα ακριβούς αναπαράστασης του κόσμου ως αντικειμενικής πραγματικότητας. Η εγκαθίδρυση αυτών των χαρακτηριστικών προκύπτει από τη δυνατότητα διεξαγωγής ανεξάρτητων και επαναλαμβανόμενων πειραμάτων και μετρήσεων που αναπαράγουν / επαληθεύουν κάθε φορά τα ίδια αναμενόμενα θεωρητικά αποτελέσματα. Παράγονται με αυτόν τον τρόπο θεμελιώδεις αιτιακές σχέσεις μεταξύ της δεδομένης (αρχικής) κατάστασης του υπό παρατήρηση φυσικού αντικειμένου και των αποτελεσμάτων των μετρήσεων που γίνονται πάνω σε αυτό, καθώς το σύστημα μεταβάλλεται στο χώρο και στον χρόνο (επόμενες καταστάσεις).
Αυτή η λεγόμενη μηχανιστική κοσμοεικόνα της κλασικής φυσικής έχει στο πλευρό της, εδώ και αρκετούς αιώνες, πολλά από τα “ιερά τέρατα” της επιστήμης: Από του νόμους του Νεύτωνα (17ος αιώνας), μέχρι την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell (19ος αιώνας) και τη διατύπωση της ειδικής και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας από τον Αϊνστάιν (αρχές τους 20ου αιώνα). Στις αρχές του 20ου αιώνα, όταν ακόμα τα εκπαιδευτικά συστήματα δεν είχαν εδραιωθεί σαν βασικός κρατικός θεσμός, όλα αυτά δεν μπορούσαν παρά να αφορούν τις συζητήσεις μεταξύ των επιστημόνων. Πολλοί από αυτούς τότε εμφανίζονταν σίγουροι ότι η κλασική μηχανική είναι σε θέση να ερμηνεύσει το σύνολο των φυσικών φαινομένων. Ή σχεδόν σίγουροι: Ακριβώς την ίδια περίοδο (τέλη 19ου – αρχές 20ου αιώνα) το ίδιο εργαλείο, το πείραμα, που ως τότε χρησίμευε στην παραγωγή και επιβεβαίωση των επιστημονικών θεωριών, άρχισε να οδηγεί στις πρώτες αντιφάσεις. Πλήθος πειραματικών δεδομένων που προέκυπταν από την μελέτη φαινομένων ατομικής κλίμακας δεν μπορούσαν να ερμηνευτούν επαρκώς από την κλασική μηχανική.

Προκειμένου να παραθέσουμε εδώ ένα μόνο τέτοιο παράδειγμα που αφορά την διείσδυση των φυσικών επιστημών στον μικρόκοσμο και τις αντιθέσεις που προκάλεσε με τις ως τότε δεδομένες βεβαιότητες, μεταφράζουμε ένα απόσπασμα από την εισαγωγή του βιβλίου “The Principles of Quantum Mechanics” του P. A. M. Dirac: [3]

Ως μια ακόμα απεικόνιση της αποτυχίας της κλασικής μηχανικής μπορούμε να θεωρήσουμε την συμπεριφορά του φωτός. Έχουμε, από τη μία πλευρά, τα φαινόμενα της συμβολής και της περίθλασης του φωτός, που μπορούν να ερμηνευτούν μόνο στην βάση της κυματικής θεωρίας· από την άλλη, έχουμε φαινόμενα όπως η φωτο-ηλεκτρική εκπομπή και η σκέδαση από ελεύθερα ηλεκτρόνια, που δείχνουν ότι το φως συντίθεται από μικρά σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια, που αποκαλούνται φωτόνια, έχει το καθένα μια ορισμένη ενέργεια και ορμή, που εξαρτάται από τη συχνότητα του φωτός, και εμφανίζονται να έχουν το ίδιο πραγματική υπόσταση με τα ηλεκτρόνια ή οποιαδήποτε άλλα σωματίδια που είναι γνωστά στη φυσική. Κάποιο κλάσμα ενός φωτονίου ποτέ δεν έχει παρατηρηθεί.

Πειράματα έχουν δείξει ότι αυτή η ανώμαλη συμπεριφορά δεν είναι μια ιδιομορφία του φωτός, αλλά είναι εντελώς γενική. ‘Ολα τα σωματίδια της ύλης έχουν κυματικές ιδιότητες, οι οποίες μπορούν να εκτεθούν κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες. Εδώ έχουμε ένα πολύ χτυπητό και γενικό παράδειγμα της κατάρρευσης της κλασικής μηχανικής – όχι απλώς μια ανακρίβεια των νόμων της κίνησης, αλλά μια ανεπάρκεια των εννοιών της να μας παρέχουν μια περιγραφή όσων συμβαίνουν σε ατομική κλίμακα.
Η αναγκαιότητα να αποστασιοποιηθούμε από τις κλασικές ιδέες όταν κανείς επιθυμεί να λάβει υπόψη την έσχατη μορφή της ύλης μπορεί να γίνει αντιληπτή, όχι μόνο από πειραματικά αποδεδειγμένα γεγονότα, αλλά και από γενικές φιλοσοφικές αφετηρίες…

…η συνέχεια στο έντυπο τεύχος του Cyborg.
[ σημεία διακίνησης ]

Rorre Margorp

το κβαντικό μέλλον είναι κοντά

Σημειώσεις

1 – http://english.cas.cn/head/201608/t20160816_166483.shtml (Chinese Academy of Scienses Newsroom). Καθώς η είδηση εδώ μεταφέρεται από καθεστωτική πηγή της κίνας, μπορείτε να φανταστείτε ότι στη θέση της έπαρσης που είναι εμφανής στο κείμενο που αναδημοσιεύουμε, στα δυτικά μέσα ενημέρωσης υπάρχει εμφανής (στην καλύτερη) ο φθόνος, σαν υπονοούμενο μιας δεδομένης διαστημικής-γεωπολιτικής ανασφάλειας.
[ επιστροφή ]

2 – βλ. Cyborg #1, Η επιστήμη σαν ιδέα
[ επιστροφή ]

3 – Dirac, P. A. M., 1930, The Principles of Quantum Mechanics, Oxford: Clarendon Press.
[ επιστροφή ]

_________________________________________________________

Aπό:http://www.sarajevomag.gr/cyborg/issues/07/i07_p59_quantum.html

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s