Nawet Einstein czasami się mylił
grafika: Niklas Elmehed
O tegorocznym Noblu z fizyki i jego znaczeniu
W tym roku nagroda Nobla powędrowała do Alaina Aspecta, Johna F. Clausera i Antona Zeilingera. Badacze zasłynęli eksperymentami z wykorzystaniem splątanych stanów kwantowych i obaleniem… błędnego przekonania Alberta Einsteina, który mechanikę kwantową traktował jako tymczasową, niekompletną teorię.
Mechanikę kwantową większość kojarzy zapewne z Erwinem Schrödingerem i jego kocim eksperymentem myślowym, który przeniknął do zbiorowej świadomości. Noblista sam jednak miał sporo wątpliwości dotyczących teorii kwantowej. Nie był w tym zwątpieniu odosobniony — również wielki Albert Einstein traktował ją z dystansem i zarzucał mechanice kwantowej, że nie jest kompletnym opisem, a jedynie namiastką prawdziwej teorii, która czeka na pojawienie się swojej lepszej, solidniejszej następczyni.
Jeszcze jestem, czy już mnie nie ma?
— Teoria kwantowa powstała w latach 20. Niedługo później okazało się, że generuje ona pewne filozoficzne problemy, operuje bowiem prawdopodobieństwami — mówi prof. Piotr Magierski z Zakładu Fizyki Jądrowej. — Posłużmy się przykładem człowieka, który opuszcza swój pokój. W języku mechaniki kwantowej oznacza to, że jego prawdopodobieństwo przebywania w pokoju maleje, a rośnie prawdopodobieństwo tego, że jest za drzwiami. W mechanice kwantowej w zasadzie nie można stwierdzić, w którym momencie wychodzę, operujemy tylko prawdopodobieństwami.
Można nawet powiedzieć, że w mechanice kwantowej „nic się nie dzieje”, tzn. nie zachodzą zdarzenia, a jedynie ewoluują w czasie prawdopodobieństwa różnych stanów układu. Do zajścia zdarzenia potrzeba aktu obserwacji z zewnątrz. To, czy wyszedłem czy też nie, można stwierdzić tylko za pomocą obserwacji, w czasie której jedna z możliwości się materializuje. Wynik pomiaru zależy od prawdopodobieństwa — tłumaczy prof. Magierski.
W zdroworozsądkowym, klasycznie logicznym świecie problemy mechaniki kwantowej, która rządzi się własnymi zasadami, bywają trudne do zrozumienia, wydają się nieintuicyjne.
Splątanie na odległość
— Wróćmy do metafory człowieka w pokoju. Załóżmy, że pokój jest bardzo mały i zmieści się w nim jedna osoba. Za drzwiami czeka ktoś, kto chce zająć jej miejsce. W języku mechaniki kwantowej oznacza to, że prawdopodobieństwo tego, że osoba wyjdzie z pokoju jest skorelowane z prawdopodobieństwem tego, że gość wejdzie. Taką korelację nazywamy stanem splątania. W takim przypadku obserwator dokonujący pomiaru na osobie wychodzącej uzyskuje również informację o gościu, bo jeśli człowiek nie wyszedł, to znaczy, że gość ciągle czeka pod drzwiami — mówi nasz badacz.
Co ciekawe, stan splątania może istnieć nawet wtedy, gdy obiekty są od siebie bardzo oddalone. To prowadzi do dziwnego wniosku, na który zwrócił uwagę Einstein, że wykonując pomiar w jednym miejscu, będziemy wpływać na stan oddalonego obiektu. Dziś nazywamy to paradoksem EPR (Einsteina-Podolsky’ego-Rosena).
Einstein zadawał sobie w związku z tym pytanie, czy prawdopodobieństwo w teorii kwantowej nie jest wyrazem naszej niedostatecznej wiedzy o tym, co się dzieje naprawdę, wyrazem pewnej ignorancji wynikającej z niedostatków tej teorii. Dziwiła go możliwość długodystansowej korelacji i był zdania, że opis mikroświata przy pomocy mechaniki kwantowej jest niekompletny. Okazuje się jednak, że można to sprawdzić, testując eksperymentalnie tzw. nierówności Bella. John Bell w latach 60. podał warunek w formie nierówności, jaki powinny spełniać korelacje pomiarów oddalonych obiektów, gdyby prawdopodobieństwa były naprawdę wynikiem tylko naszej nieznajomości stanu faktycznego obiektów.
Kompletna teoria, konkretne szanse
Alain Aspect i John F. Clauser wykonując eksperymenty na fotonach wykazali, że nierówności Bella nie są spełnione i właśnie za tę odpowiedź otrzymali nagrodę Nobla. Dowiedli bowiem eksperymentalnie, że prawdopodobieństwa są częścią realności, a nie wyrazem naszej ignorancji. Anton Zeilinger przysłużył się z kolei badaniami nad splątanymi fotonami, torując drogę dla rozwoju informatyki kwantowej. Okazało się, że splątany układ dwóch obiektów może stanowić pewien sposób przesyłania informacji.
— Potrzeba ukrywania informacji towarzyszy ludzkości już od czasów Adama i Ewy — zauważa dr hab. inż. Teodor Buchner, szef Zakładu Fizyki Układów Złożonych i jednocześnie specjalista B+R w spółce EXATEL. — Jednym z najważniejszych, jak dotąd, praktycznych zastosowań stanu splątania jest możliwość przesyłania bitów klucza kwantowego. Jeśli jeden foton ze splątanej pary zostanie wysłany do Alicji a drugi do Boba i Alicja zmierzy stan polaryzacji swojego fotonu, wtedy tegoroczny Nobel daje nam gwarancję, że polaryzacja u Boba będzie przeciwna. Jeśli dwóm polaryzacjom przypiszą symbole 0 i 1, oznacza to, że wymienili właśnie jeden bit klucza, który znają tylko oni — podkreśla nasz badacz.
Metoda ta, wspomniana zresztą w uzasadnieniu nagrody Nobla, jest dziełem wybitnego polskiego fizyka pracującego w Oxfordzie, profesora Artura Ekerta. Bezpieczeństwo bitów zapewnia z kolei tak zwane twierdzenie o nieklonowaniu, którego współautorem jest absolwent AGH Wojciech Żurek.
Politechnika Warszawska przystąpiła w tym miesiącu do Klastra Q, czyli Klastra Technologii Kwantowych, na którego otwarciu gościł właśnie profesor Ekert. To otwarty człowiek myślący nieszablonowo. Optycy kwantowi czy elektronicy rozwijający technologię dla pułapek jonowych i komputerów kwantowych potrzebują fizyków stosowanych. Dzięki znajomości języka obu stron jesteśmy w stanie rozwijać innowacje, których potrzebuje rozwijająca się polska telekomunikacja. Program Secure Connectivity, którego plany są obecnie w procesie legislacyjnym w Parlamencie Europejskim, opiera się na rozwoju europejskiej technologii kwantowej, a w tym procesie chcemy zostać partnerem technologicznym. To dopiero początek zastosowań fotonów splątanych. W 2017 roku zaproponowano chociażby spektroskopię na fotonach splątanych, która wydaje się mieć ogromny potencjał jako metoda pomiaru własności materii — podkreśla Teodor Buchner.
Według mechaniki kwantowej efekt splątania jest powszechny dla mikroobiektów i pojawia się np. na skutek oddziaływania pomiędzy nimi. Splątane powinny być cząstki elementarne powstałe w jednej reakcji, jądra atomowe po rozszczepieniu, atomy i cząsteczki po reakcji chemicznej.
— W naszej grupie interesują nas implikacje splątania jąder atomowych, które powinno istnieć jakiś czas po rozszczepieniu, ale jeszcze nikt tego nie potwierdził eksperymentalnie. Ciekawi nas również, jak efekt splątania będzie się zachowywał w przypadku coraz większych obiektów. Czy skala wpływa na ten efekt? — pyta prof. Magierski. — Obecnie możemy tworzyć układy składające się z wieluset tysięcy a nawet milionów atomów, zachowujących się jak jedna gigantyczna cząstka kwantowa. Nazywamy taki układ kondensatem Bosego-Einsteina. Można więc badać splątanie między kondensatami i częściowo takimi właśnie zagadnieniami zajmujemy się w naszej grupie działającej na Wydziale Fizyki.
Nauka wymaga cierpliwości, ale prędzej czy później da odpowiedź na te i wiele innych pytań.
