Dacă mecanica cuantică afirmă că totul este aleator, atunci cum se poate ca această teorie să fie cea mai precisă din toate timpurile? Cum pot fi calculatoarele cuantice mai utile decât calculatoarele obişnuite, dacă noi nu putem observa superpoziţia şi prin încercarea de a utiliza două stări cuantice în acelaşi timp obţinem o singură stare cuantică?

 

 



Fizica cuantică este atât de plină de incertitudine, încât lui Einstein nu i-a plăcut că „Dumnezeu joacă zaruri cu lumea". Cum aţi putea explica faptul că fizica cuantică a condus în prezent la dezvoltarea celor mai exacte teorii pe care le avem la ora actuală?

Un sistem cuantic prezintă o stare aleatoare sau nu în funcţie de subiectul la care vă referiţi. De exemplu, electronii din atom formează „orbitali" care au forme şi nivele de energie extrem de previzibile. Cu toate acestea, dacă aţi încerca să măsuraţi poziţia unui electron în interiorul unui orbital aţi afla că rezultatul este destul de aleator.

Una din marile victorii ale mecanicii cuantice a fost reprezentată de dovedirea faptului că Dumnezeu joacă zaruri cu lumea, în ciuda afirmaţiei contrare a lui Einstein. Tot ce există în Univers se află în mai multe stări posibile, dar atunci când un lucru este măsurat se constată că brusc acesta se află într-o stare unică (tehnic vorbind, un set mai mici de stări). Lăsând la o parte ce este o măsurătoare şi ce fac măsurătorile, rezultatul unei măsurători (starea unui lucru pe care o vom descoperi) este adeseori, dar nu întotdeauna, fundamental aleator şi impredictibil.

De exemplu, atunci când o rază de lumină trece printr-un separator de fascicule rezultă două fascicule de lumină având fiecare jumătate din intensitatea fasciculului iniţial. Utilizând conceptul de undă este destul de uşor de explicat acest lucru: o parte din fascicul trece prin separator în timp ce o altă parte se reflectă de acesta. În fizica cuantică se descrie lumina (şi orice altceva) sub forma unei unde, chiar şi atunci când sursa de lumină este astfel reglată încât la un moment dat aceasta emite doar un singur foton.



Conform teoriei cuantice (şi verificat prin experiment) nu există nicio modalitate de a prezice în ce direcţie se va deplasa un foton la trecerea printr-un separator de fascicule. Această situaţie este „ireductibil aleatoare".

În consecinţă, în exact acelaşi mod se poate descrie matematic o undă ce trece şi este reflectată de separatorul de fascicule sau un foton ce trece şi în acelaşi timp este reflectat de separator. Să amplasăm o pereche de detectoare în cele două direcţii posibile de deplasare ale fotonului şi să facem o măsurătoare. Brusc, în loc ca fotonul să urmeze ambele direcţii în acelaşi timp, îl vom găsi pe acesta într-o singură direcţie (indicată de detectorul corespunzător acesteia) şi nu există absolut nicio modalitate de a prezice care va fi calea urmată de foton.

În faţa acestei constatări am putea crede că acesta este sfârşitul poveştii. Există un grad ireconciliabil de impredictibilitate în ceea ce priveşte măsurătorile sistemelor cuantice. În exemplul de mai sus (şi în alte câteva milioane de experimente similare) este imposibil să se facă o predicţie precisă. Dar ţineţi minte, putem fi inteligenţi.

Descrierea cuantică a fiecărui foton care trece prin separatorul de fascicule nu este atât de simplă ca „este complet aleatoare calea urmată de foton". Fiecare foton este descris foarte precis şi predictibil în timp ce parcurge ambele căi.



Ajustând în mod adecvat lungimea drumului parcurs de fotoni se poate face ca toţi fotonii să ajungă doar la un anumit detector. Nu putem prezice care este calea urmată de fotoni, dar se poate anticipa în mod perfect rezultatul final.

Să considerăm cazul similar al unei raze laser care trece printr-un separator de fascicule şi să adăugăm mai multe elemente constructive aparatului. Cu ajutorul câtorva oglinzi puteţi reuni din nou cele două fascicule către un alt separator de fascicule. Undele luminoase de pe ambele căi se separă din nou la cel de-al doilea separator de fascicule, dar atunci când verificaţi intensitatea luminii ce iese din acesta trebuie să ţineţi cont de modul cum interferă undele luminoase de pe cele două direcţii.

 


Atunci când undele luminoase se suprapun, acestea nu se adună pur şi simplu, ci interferează. Suma a două unde poate fi mai mare (interferenţă constructivă) sau mai mică (interferenţă distructivă) în funcţie de modul cum se aliniază acestea.

Reglând cu atenţie distanţele se poate face ca pe o direcţie să se obţină o interferenţă distructivă completă în timp ce pe cealaltă direcţie să obţinem o interferenţă constructivă completă. Acest lucru este valabil pentru un fascicul laser, dar atunci când reduceţi intensitatea fasciculului până când nu va există decât un singur foton care se deplasează la un moment dat atunci veţi descoperi că (în exemplul din imagine) numai detectorul de sus se va declanşa. Acest lucru nu reprezintă „teoria" de altfel, dar metoda este destul de uşor de aplicat într-un laborator.

Acest lucru este un pic ciudat, aşa că să mai insistăm puţin asupra acestor idei. Teoria cuantică afirmă că un singur foton parcurge ambele căi. Dacă se amplasează detectoare pe ambele direcţii este imposibil de prezis care dintre acestea se va declanşa. În cazul în care cele două căi sunt recombinate, putem vedea că fotonul a parcurs ambele căi pentru că acesta a interferat cu el însuşi într-un mod foarte previzibil şi a produs rezultate foarte previzibile. Dacă ne referim la faptul că „mecanica cuantică afirmă că lucrurile sunt aleatoare" ne-am aştepta ca la fiecare separator de fascicule fotonii să facă o alegere aleatoare şi ca detectoarele din al doilea exemplu să se declanşeze fiecare timp de o jumătate din perioada de timp considerată.

În concluzie, teoria cuantică poate prezice că un eveniment va fi aleator sau în alte situaţii ea poate prezice cu exactitate rezultatul (chiar dacă predicţia, uneori, pare imposibilă). Totul se reduce la o aplicare judicioasă a măsurătorilor şi la înţelegerea modului prin care se permite sistemului cuantic să interacţioneze cu el însuşi.

Acest exemplu particular poate fi extins pentru a permite „măsurători fără interacţiune", ceea ce ar părea imposibil, dar este de fapt doar o altă predicţie (corectă) a mecanicii cuantice. Predictibilitatea mecanicii cuantice stă la baza algoritmilor cuantici şi explică (în mod mai direct) de ce „funcţionează" chimia.

Traducere de Cristian-George Podariu după quantum-mechanics