Παιχνίδια με τα κβάντα

ΤΟΠΟΛΟΓΙΚΟΙ ΜΟΝΩΤΕΣ
Νέα στροφή στην Ηλεκτρονική
Μετά την Ηλεκτρονική έρχεται η Σπιντρονική, στην οποία η μεταφορά των πληροφοριών και ο έλεγχος των συσκευών δεν γίνονται από ρεύματα πολλών ηλεκτρονίων αλλά από τα κβαντομηχανικά σπιν μεμονωμένων ηλεκτρονίων.

Ο δρόμος έχει ακόμη μερικά εμπόδια. Ενα είναι ότι το σπιν είναι ένα μαγνητικό φαινόμενο: σε τόσο μικρές κλίμακες, όπως αυτή ενός μικροτσίπ, προς το παρόν γνωρίζουμε να χειριζόμαστε μόνο ηλεκτρικά πεδία.

Εδώ κάνουν την εμφάνισή τους οι τοπολογικοί μονωτές, μια νέα τάξη υλικών η θεωρία των οποίων διατυπώθηκε μόλις το 2005. Τα κβαντομηχανικά φαινόμενα που συντελούνται στο εσωτερικό τους επιτρέπουν στα σπιν των ηλεκτρονίων της επιφάνειάς τους να ελέγχονται άμεσα από ηλεκτρικά πεδία. Το αποτέλεσμα είναι μια «υπερλεωφόρος ηλεκτρονίων» κατά μήκος της οποίας τα ηλεκτρόνια τρέχουν σε «λωρίδες» ανάλογα με το σπιν τους. Οι συγκρούσεις καταστέλλονται και όλα γίνονται πολύ πιο κομψά απ΄ ό,τι σε ένα συμβατικό τσιπ πυριτίου, οπότε δεν θερμαίνονται τόσο όσο τα σημερινά ενεργοβόρα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Αν η τεχνική μπορέσει να περάσει σε μεγαλύτερη κλίμακα το αποτέλεσμα θα είναι ψυχρότερες, ταχύτερες σπιντρονικές συσκευές για όλους.

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΟΠΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ
Η εξερεύνηση του ορίου κλασικού – κβαντικού κόσμου
Στην καρδιά της σύγχρονης Φυσικής βρίσκεται ένας κύκλος που πρέπει να τετραγωνιστεί. Τα πειράματα μας λένε ξανά και ξανά ότι ο κόσμος στην πιο θεμελιώδη σύστασή του λειτουργεί σύμφωνα με τους φαινομενικά απίθανους νόμους της Κβαντομηχανικής. Παρ΄ όλα αυτά ο μακροσκοπικός κόσμος στον οποίο ζούμε φαίνεται στέρεα κλασικός.

Η Κβαντική Οπτομηχανική θα μπορούσε να μας βοηθήσει να λύσουμε αυτό το παράδοξο. Χρησιμοποιεί την πίεση των περιορισμένων φωτονίων, των κβαντομηχανικών σωματιδίων του φωτός, για να επηρεάσει τις ιδιότητες των μηχανικών αντικειμένων από τη νανοκλίμακα ως τη μακροκλίμακα.

Πρόσφατα πειράματα έδειξαν, για παράδειγμα, πώς η ψύχρανση λέιζερ- μια τεχνική που επινοήθηκε για την ψύχρανση νεφών ατόμων- μπορεί να κάμψει τις δονήσεις μικρών μηχανικών συσκευών. Αυτό ανοίγει τη συναρπαστική προοπτική της κατασκευής μηχανικών συντονιστών οι οποίοι θα λειτουργούν στις παγερές θερμοκρασίες στις οποίες τίθενται σε ενέργεια τα κβαντικά φαινόμενα.

Αυτοί οι κβαντικοί συντονιστές μπορούν να έχουν εφαρμογές στην ανάπτυξη αισθητήρων, στη Μετρολογία και στην κβαντική επεξεργασία πληροφοριών, εκείνο όμως που εγώ βρίσκω πιο ενδιαφέρον είναι η δυνατότητα του να θέτουμε ένα αντικείμενο ορατό με γυμνό μάτι σε μια κβαντική υπέρθεση ανάμεσα σε δύο ξεχωριστές θέσεις- έτσι ώστε να βρίσκεται εδώ και εκεί ταυτόχρονα. Η εξέταση των προβλέψεων της κβαντικής θεωρίας σε ένα εντελώς νέο καθεστώς μεγέθους και μάζας θα προσφέρει καινούργιες γνώσεις σχετικά με το πού βρίσκεται το όριο ανάμεσα στον κλασικό και στον κβαντικό κόσμο- και ίσως να συμβάλει στην ενοποίηση της Κβαντομηχανικής με τη βαρύτητα.

ΜARKUS ΑSPELMEYER Ο κ. Μάρκους Ασπελμάιερ διερευνά τα θεμέλια της Κβαντικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης. ΑΡΓΟ ΦΩΣ
Κατεβάζοντας το όριο της ταχύτητας
Το φως, το ταχύτερο πράγμα στο Σύμπαν, μπορεί να επιβραδυνθεί ώστε να προχωρεί με ρυθμό βαδίσματος ή ακόμη και να ακινητοποιηθεί εκεί όπου βρίσκεται. Ποιος θα το φανταζόταν ποτέ;

Στην πραγματικότητα πρόκειται για ταχυδακτυλουργικό τρυκ: δεν επιβραδύνεται ή ακινητοποιείται το ίδιο το φως, αλλά οι πληροφορίες που μεταφέρει. Στείλτε έναν ενεργειακά συντονισμένο παλμό φωτός σε ένα νέφος υπέρψυχρων ατόμων γνωστών ως «συμπύκνωση Μπόζε- Αϊνστάιν», και αυτός θα συντονιστεί με τα άτομα της συμπύκνωσης επιτρέποντας στις πληροφορίες να μεταφερθούν από το φως στα άτομα. Ενας δεύτερος παλμός λέιζερ μπορεί στη συνέχεια να εξαγάγει τις πληροφορίες από τα άτομα και να τις μεταφέρει οπουδήποτε αλλού.

Αυτό είναι καλό. Αν μπορέσουμε να τελειοποιήσουμε τις προβληματικές λεπτομέρειες της τεχνικής η ικανότητα να αποθηκεύουμε δεδομένα που μεταφέρονται με το φως επ΄ αόριστον θα μπορούσε να μας οδηγήσει στην εποχή των υπερταχέων οπτικών υπολογιστών που θα καταργούν τα δύσχρηστα τσιπς από πυρίτιο.

ΑNYONS
Ωθηση για την Κβαντική Υπολογιστική
Κάποιες ανθρώπινες φυλές κωδικοποιούσαν τους αριθμούς σε κόμπους επί χιλιετίες. Η σημερινή φυλή των φυσικών ανακάλυψε προσφάτως ότι τα κβαντικά σωματίδια μπορούν και αυτά να κωδικοποιήσουν αριθμούς. Τώρα συνδέουν τις δύο ιδέες χρησιμοποιώντας τους «κόμπους» των ελικοειδών διαδρομών των σωματιδίων για να αναπαραστήσουν μπιτς πληροφοριών.

Η μελέτη των κόμπων είναι γνωστή ως Τοπολογία και η Τοπολογική Κβαντική Υπολογιστική θα μπορούσε να προκαλέσει επανάσταση στην ψηφιακή διαχείριση. Τα σωματίδια που εμπλέκονται δεν είναι τα συνηθισμένα ηλεκτρόνια ή άτομα, αλλά τα μη αβελιανά anyons, οντότητες-φαντάσματα που υπάρχουν μόνο ως προϊόντα της κίνησης άλλων πραγμάτων. Αν θέλετε να βρείτε το μάτι του κυκλώνα, πρέπει πρώτα να έχετε τον κυκλώνα· αν θέλετε να βρείτε τα anyons, πρέπει πρώτα να δημιουργήσετε και να ελέγξετε συγκεκριμένες κινήσεις ηλεκτρονίων σε σχεδόν αθέατα λεπτούς δισδιάστατους κρυστάλλους.

Αυτό εξακολουθεί να αποτελεί έναν γόρδιο δεσμό, μια ενδεχόμενη επιτυχία όμως θα μας προσφέρει επιτέλους μια υπερφορτισμένη κβαντική υπολογιστική ισχύ.

ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΜΟΝΟΠΟΛΑ
Ο χαμένος δεσμός του ηλεκτρομαγνητισμού

Σπάστε μια μαγνητική ράβδο στα δύο και, σαν τη σκούπα στον «Μαθητευόμενο μάγο» του Ντίσνεϊ, θα έχετε δύο καινούργιους μαγνήτες, με δύο πόλους στον καθένα. Μπορείτε ποτέ να έχετε έναν μόνο πόλο, ένα μονόπολο;

Ναι, λένε οι φυσικοί. Οι μαγνήτες περιγράφονται από τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Το «ηλεκτρο» αφορά τα θετικά και τα αρνητικά φορτία, ο μαγνητισμός τις ελκτικές και απωστικές δυνάμεις, οπότε η συμμετρία υπαγορεύει ότι όπως υπάρχουν θετικά ή αρνητικά φορτία χωρίς το αντίθετό τους, έτσι θα πρέπει να υπάρχουν και απομονωμένοι πόλοι. Επιπλέον η καλύτερη θεωρία μας για την περιγραφή των πρώτων στιγμών του Σύμπαντος απαιτεί την ύπαρξη μονοπόλων.

Τα τελευταία 80 χρόνια χτενίζουμε λοιπόν περιβάλλοντα τόσο διαφορετικά όσο η σεληνιακή σκόνη, οι κοσμικές ακτίνες και τα υπολείμματα από τις συγκρούσεις μέσα στους επιταχυντές για να τα εντοπίσουμε. Αρχίσαμε μόλις να βλέπουμε πράγματα που ταιριάζουν στην περιγραφή μέσα σε εξαιρετικά εξειδικευμένους κρυστάλλους που είναι γνωστοί ως «παγωμένα σπιν». Το ερώτημα όμως του αν θα δούμε ποτέ ένα μονόπολο στη φύση παραμένει ανοιχτό.