Fizyka kwantowa rządzi się “swoimi” prawami, które są trudne do zrozumienia dla wielu z nas. Ale to wcale nie świat “obok nas”, a tak naprawdę świat nasz własny, tylko inaczej (pełniej?) rozumiany. U podstaw fizyki kwantowej istnieje zjawisko stanów splątanych – dotyczy ono dwóch cząstek, które zachowują się jak jedność, nawet gdy są rozdzielone. Bez zrozumienia tego zjawiska nie byłoby postępów w informatyce kwantowej.
Laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki 2022 zostali: Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger za “eksperymenty ze splątanymi fotonami, ustalające naruszenie nierówności Bella i pionierską informatykę kwantową”.
Anders Irbäck, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki, mówi:
Coraz wyraźniej widać, że powstaje nowy rodzaj technologii kwantowej. Widzimy, że praca laureatów nad stanami splątanymi ma ogromne znaczenie, wykraczające nawet poza fundamentalne pytania dotyczące interpretacji mechaniki kwantowej.
Zaplątane stany splątane
Wielu osobom mogłoby się wydawać, że fizyka kwantowa to “ta egzotyczna” siostra klasycznej fizyki, która tak naprawdę nie jest w życiu niczym potrzebna. To poważny błąd, bo fizyka kwantowa – choć w wielu aspektach sprzeczna ze zdrowym rozsądkiem – tłumaczy zjawiska na poziomie podstawowym, z którymi klasyczna fizyka sobie nie radzi. Co więcej, leży ona u podstaw obliczeń kwantowych i kryptografii kwantowej, które są jednymi z najbardziej rozwojowych obszarów zarządzania informacjami. Komputery kwantowe to już nie przyszłość, a teraźniejszość.
Splątanie kwantowe to zjawisko, które jest jednym z fundamentów wszystkich wyżej przytoczonych. Dwie lub więcej cząstek mogą istnieć w tzw. stanie splątanym. To, co dzieje się z jedną z cząstek w stanie splątanym, przekłada się na kondycję drugiej z cząstek, nawet jeżeli są one daleko od siebie.
Innymi słowy: gdy dwie cząstki znajdują się w stanie splątanym, ktoś, kto mierzy właściwość jednej cząstki, może natychmiast określić wynik równoważnego pomiaru na drugiej cząstce (bez potrzeby sprawdzania). Ale warto pamiętać, że żadna cząstka nie znajduje się w zdeterminowanym stanie, dopóki nie dokonamy pomiaru. Dobrym przykładem będzie porównanie cząstek do kulek, które są szare do momentu, gdy na nie spojrzymy – wtedy dopiero przyjmują losową barwę.
Splątane pary w mechanice kwantowej można porównać do maszyny, która wyrzuca w przeciwnych kierunkach kulki o przeciwnych kolorach. Gdy Bob złapie kulkę i zobaczy, że jest czarna, wie też, że Alice złapała kulkę białą. W teorii wykorzystującej ukryte zmienne, kulki zawsze zawierały ukrytą informację o tym, jaki kolor mają pokazać. Mechanika kwantowa mówi jednak, że kulki były szare, dopóki ktoś na nie nie spojrzał, kiedy to jedna losowo zmieniła kolor na biały, a druga na czarny. Nierówności Bella pokazują, że istnieją eksperymenty, które potrafią rozróżnić te przypadki. Takie eksperymenty udowodniły, że opis mechaniki kwantowej jest poprawny.
Fizycy przez długi czas zastanawiali się, czy cząstki znajdujące się w stanie splątanym zawierają jakieś “ukryte” zmienne. W 1964 r. John Stewart Bell, północnoirlandzki fizyk, opracował matematyczną nierówność, zgodnie z którą “żadna lokalna teoria zmiennych ukrytych nie może opisać wszystkich zjawisk mechaniki kwantowej”. Okazuje się, że nierówność Bella można naruszyć, co z kolei powoduje wystąpienie silniejszej korelacji, niż w każdym innym przypadku.
Jeden z tegorocznych noblistów – John F. Clauser – opracował praktyczny eksperyment, popierający mechanikę kwantową i naruszający nierówność Bella. To był kolejny ważny dowód mówiący, że mechaniki kwantowej nie można zastąpić przez żadną teorię wykorzystującą ukryte zmienne. Innymi słowami: prawa mechaniki kwantowej są słuszne, choć wciąż zawierają sporo luk. Potwierdził to także Alain Aspect, który usprawnił techniki pomiaru cząstek znajdujących się w stanie splątanym. Z kolei Anton Zeilinger zaczął je praktycznie wykorzystywać, a jego zespół dokonał tzw. teleportacji kwantowej, która pozwala na przeniesienie stanu kwantowego jednej cząstki na drugą (znajdującej się w stanie splątanym), nawet na dużą odległość.
Nowa era fizyki kwantowej
Zrozumienie podstaw stanów splątanych i możliwości manipulowania nimi daje dostęp do narzędzi o praktycznie nieograniczonym potencjalne. To podstawa rozwoju komputerów kwantowych, ale także projektowania algorytmów kryptografii kwantowej. Fizycy już eksperymentują z układami zawierającymi więcej niż dwie cząstki splątane, co nie byłoby możliwe bez eksperymentów tegorocznych noblistów.
Czytaj też: Skąd pochodzi człowiek? Nobel z medycyny 2022 – wyjaśniamy, za co go przyznano
Pierwsza rewolucja kwantowa dała nam tranzystory i lasery, ale teraz wkraczamy w zupełnie nową erę fizyki. Zademonstrowano już stany splątane między fotonami przesłanymi światłowodem przez dziesiątki kilometrów oraz pomiędzy satelitą a stacją na Ziemi. Naukowcy z całego świata co chwilę znajdują nowe zastosowania dla mechaniki kwantowej, a w kolejnych latach możemy spodziewać się ich jeszcze więcej.