Κβαντική τεχνολογία: η δεύτερη κβαντική επανάσταση

Quantum technology: the second quantum revolution
Κβαντική τεχνολογία: η δεύτερη κβαντική επανάσταση
Jonathan Dowling and Gerard Milburn
In Phil. Trans. R.Soc Lond. A (2003) 361, 1655-1674

Μερικά αποσπάσματα

Περίληψη

Σήμερα βρισκόμαστε εν μέσω της δεύτερης κβαντικής επανάστασης. Η πρώτη μας έδωσε τους κανόνες που κυβερνούν την φυσική πραγματικότητα. Η δεύτερη επανάσταση θα πάρει αυτούς τους κανόνες και θα τους χρησιμοποιήσει για να αναπτύξει νέες τεχνολογίες. Στο προκείμενο άρθρο ασχολούμαστε με τις αρχές πάνω στις οποίες βασίζεται η κβαντική τεχνολογία και με τα εργαλεία που απαιτούνται για την ανάπτυξή της. Παρουσιάζουμε παραδείγματα ερευνητικών προγραμμάτων που θα μπορούσαν να προσφέρουν κβαντικές τεχνολογίες στις ερχόμενες δεκαετίες, όπως: τεχνολογία κβαντικής πληροφορίας, κβαντικά ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα, συνοχική (coherent) κβαντική ηλεκτρονική, κβαντική οπτική και συνοχική τεχνολογία ύλης.

Εισαγωγή

Η πρώτη κβαντική επανάσταση έλαβε χώρα κατά την αρχή του περασμένου αιώνα, προκύπτοντας από τις προσπάθειες θεωρητικής εξήγησης των πειραμάτων σχετικών με την ακτινοβολία του μέλανος σώματος. Από αυτή την θεωρία προέκυψε η θεμελιώδης ιδέα, του δυισμού κύματος-σωματιδίου: και ειδικά η ιδέα, ότι τα σωματίδια ύλης συμπεριφέρονταν μερικές φορές σαν κύματα, και τα κύματα φωτός δρούσαν μερικές φορές σαν σωματίδια. Αυτή η απλή ιδέα βρίσκεται στο υπόβαθρο σχεδόν κάθε επιστημονικής και τεχνολογικής ανακάλυψης, που σχετίζεται με την πρώτη κβαντική επανάσταση. Αφού έχεις καταλάβει πως το ηλεκτρόνιο δρα σαν κύμα, μπορείς να καταλάβεις τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, τις χημικές αντιδράσεις και κυματικές εξισώσεις των ηλεκτρονίων, που βρίσκονται στην βάση της φυσικής των ημιαγωγών. Η τελευταία τεχνολογία (ημιαγωγών) κινεί την βιομηχανία παραγωγής τσιπ για υπολογιστές, και την ούτω καλούμενη εποχή της πληροφορίας. Από την άλλη, η αντίληψη ότι το κύμα φωτός πρέπει να το χειριστούμε ως σωματίδιο, μας δίνει την κατανόηση που απαιτείται για να εξηγήσουμε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, που εφαρμόζεται στην κατασκευή ηλιακών κυττάρων και φωτοτυπικών μηχανών. Η έννοια φωτόνιο, είναι ακριβώς ότι χρειαζόμαστε για να καταλάβουμε το laser. Προς το τέλος του 20^ου αιώνα, αυτή η πρώτη επανάσταση της κβαντικής μηχανικής εξελίχτηκε σε πολλές κεντρικές τεχνολογίες που διαποτίζουν την σύγχρονη κοινωνία. Έρχεται βέβαια η δεύτερη κβαντική επανάσταση, η οποία θα είναι υπεύθυνη και τις περισσότερες τεχνολογικές εξελίξεις κλειδιά στον 21^ο αιώνα.

 Η κβαντική τεχνολογία μας επιτρέπει να οργανώσουμε και να ελέγχουμε τα στοιχεία του πολύπλοκου συστήματος στο οποίο κυριαρχούν οι νόμοι της κβαντικής φυσικής. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την συμβατική τεχνολογία, η οποία  μπορεί να κατανοηθεί στα πλαίσια της κλασσικής μηχανικής. Υπάρχουν δυο επιταγές που καθοδηγούν την κβαντική τεχνολογία. Η πρώτη είναι πρακτική. Η κυρίαρχη τάση στον αιώνα των τεχνολογικών ανακαλύψεων είναι η σμίκρυνση: η κατασκευή συσκευών σε όλο και μικρότερη κλίμακα. Αυτή η πρακτική θα μας προσφέρει συσκευές που θα έχουν μέγεθος της τάξη του νανόμετρου (δισεκατομμυριοστό του μέτρου), και όπου η κλίμακα μεγέθους των αλληλεπιδράσεων θα πλησιάζει την σταθερά του Planck (6,6Χ10^-34J.s δηλαδή 33 μηδενικά πίσω από το κόμμα). Ο σχεδιασμός λοιπόν, στο σημείο αυτό πρέπει να βασίζεται στις αρχές της κβαντικής θεωρίας. Η δεύτερη επιταγή είναι πιο θεμελιώδης. Οι αρχές της κβαντικής μηχανικής φαίνεται να υπόσχονται μια τρομερά βελτιωμένη απόδοση (των συσκευών), σε σύγκριση με αυτήν που επιτυγχάνεται στα πλαίσια της κλασσικής θεωρίας.

Το κεντρικό σημείο αυτής της δεύτερης κβαντικής επανάστασης είναι η συνειδητοποίηση, ότι εμείς οι άνθρωποι δεν είμαστε πλέον παθητικοί παρατηρητές του κβαντικού κόσμου, τον οποίο μας έδωσε η φύση. Με την πρώτη επανάσταση χρησιμοποιήσαμε την κβαντική μηχανική για να κατανοήσουμε αυτό που υπάρχει. Μπορέσαμε να εξηγήσουμε τον περιοδικό πίνακα (των χημικών στοιχείων), αλλά δεν μπορέσαμε να σχεδιάσουμε και να κατασκευάσουμε άτομα. Μπορέσαμε να εξηγήσουμε την συμπεριφορά των μετάλλων και των ημιαγωγών, αλλά δεν μπορούσαμε να διαμορφώσουμε την συμπεριφορά τους. Η διαφορά μεταξύ επιστήμης και τεχνολογίας, είναι ότι η δεύτερη προσφέρει την ικανότητα διαμόρφωσης του περιβάλλοντος χώρου προς δικούς σου σκοπούς, και όχι απλώς την δυνατότητα εξήγησης των φαινομένων. Στα πλαίσια της δεύτερης κβαντικής επανάστασης, χρησιμοποιούμε ενεργά την κβαντική μηχανική, με σκοπό να μεταβάλουμε το κβαντικό πρόσωπο του φυσικού μας κόσμου. Τον μεταμορφώνουμε σε μια ιδιαιτέρως αφύσικη κβαντική κατάσταση δικού μας σχεδιασμού, για δικούς μας σκοπούς. Είμαστε για παράδειγμα σε θέση, εκτός από την εξήγηση του περιοδικού πίνακα, να κατασκευάσουμε τεχνητά άτομα -quantum dots και excitons- στα οποία μπορούμε να προσδώσουμε ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητες δικής μας επιλογής. Είμαστε σε θέση να δημιουργήσουμε κβαντικές καταστάσεις της ύλης και ενέργειας, οι οποίες το πιο πιθανό να μην υπάρχουν αλλού στο σύμπαν. Αυτές οι καινούργιες, από τον άνθρωπο κατασκευασμένες κβαντικές καταστάσεις, έχουν νέες ιδιότητες, που έχουν να κάνουν με την ευαισθησία (των κατασκευών) και την μη-τοπική συσχέτιση, πράγματα που βρίσκουν εφαρμογή στην ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών, συστημάτων επικοινωνίας, αισθητήρων και συσκευών μέτρησης. Αν και η κβαντική μηχανική έχει ωριμάσει πλήρως ως επιστήμη, η κβαντική μηχανική ως τεχνολογία έρχεται τώρα στην επιφάνεια, διεκδικώντας την δική της ταυτότητα. Πρέπει απλώς να βρίσκεται κανείς στο κατάλληλο σημείο την κατάλληλη ώρα, για να μπορέσει να εκμεταλλευτεί πλήρως τις νέες αυτές ανακαλύψεις.   

Από τον πρόλογο του βιβλίου «Sie irren, Einstein!» (Einstein, κάνετε λάθος!)  του Harald Friztsch (Μαθητής των Heisenberg και Feynman)

Η κβαντική φυσική είναι η επιστήμη των κβαρκς, των ατομικών πυρήνων, των ατόμων και μορίων. Μας πρόσφερε τα laser, transistor, το μικροσκόπιο σήραγγας, το κινητό τηλέφωνο και την μικροηλεκτρονική. Περισσότερα από δυο τρίτα του παγκόσμιου ακαθάριστου προϊόντος σχετίζεται με την κβαντική φυσική. Οι κοσμολόγοι την εφαρμόζουν για να μελετήσουν τις απαρχές του σύμπαντος. Οι αστροφυσικοί περιγράφουν την δυναμική των άστρων. Η κβαντική φυσική είναι το θεμέλιο της φυσικής των θεμελιωδών σωματιδίων, και έχει σκοπό να εξηγήσει τι είναι αυτό που συντηρεί τον κόσμο στο εσωτερικό του.

...

Κβαντική μηχανική-για τους περισσότερους ανθρώπους είναι μια μυστική επιστήμη, που μόνο οι φυσικοί καταλαβαίνουν. Αυτό φυσικά δεν ισχύει. Τις θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής θεωρίας μπορεί να τις συλλάβει ο καθένας. Στον σημερινό κόσμο, ο οποίος καθορίζεται-χαρακτηρίζεται από την τεχνολογία και την επιστήμη, η κβαντική φυσική έχει ιδιαίτερη σημασία. Για τον λόγο αυτό, η κβαντική φυσική πρέπει να γίνει γενικά κατανοητή και αποδεκτή. Οι ερευνητές και οι καθηγητές έχουν λοιπόν την αποστολή να διαδώσουν αυτή την γνώση.

Μεταφραση Πέτρος

Αμέθυστος