Kwantowe splątanie dla początkujących

Jak wyglądała historia splątania i czym ono właściwie jest?

Splątanie kwantowe należy do najbardziej zaskakujących zjawisk przewidzianych przez mechanikę kwantową. Pojawia się ono między obiektami kwantowymi - cząstkami elementarnymi, atomami, jonami, które oddziaływały ze sobą w specyficzny, opisany przez mechanikę kwantową sposób.

Rodowód splątania kwantowego sięga 1935 roku, gdy Albert Einstein, Borys Podolski i Nathan Rosen opublikowali pracę mającą dowieść, że rodząca się wówczas mechanika kwantowa nie jest teorią kompletną. Aby wykazać słuszność tego przypuszczenia, uczeni zaproponowali doświadczenie myślowe znane jako paradoks EPR (litery pochodzą od nazwisk autorów). Pokazywali w nim, za pomocą aparatu matematycznego mechaniki kwantowej, że w pewnych sytuacjach cząstki kwantowe, które wcześniej w specyficzny sposób ze sobą oddziaływały, powinny natychmiast reagować na zmianę stanu swojego partnera, nawet jeśli ten znajduje się w dowolnie dużej odległości. Sytuacja wydawała się paradoksalna, bo fizycy zgodnie uznają, że informacja nie może być przekazywana z miejsca na miejsce z prędkością większą od prędkości światła.

Trzej uczeni eksperymentem EPR próbowali dowieść, że rodząca się w tamtym okresie mechanika kwantowa nie jest teorią kompletną. Autorzy dawali do zrozumienia, że jeśli świat spełnia warunki realizmu lokalnego (obiekty mają swe cechy zanim zostaną przez nas zaobserwowane oraz obiekty oddzielone przestrzennie nie mogą oddziaływać na siebie w sposób natychmiastowy), mechanika kwantowa musi uwzględniać dodatkowe, nieznane zmienne. „Księżyc istnieje także wtedy, gdy na niego nie patrzę”, mawiał Einstein i nazywał splątanie „upiornym oddziaływaniem na odległość”. Już w tym samym roku Erwin Schrödinger, jeden z twórców mechaniki kwantowej, zainspirowany pracą EPR, wprowadził termin „splątanie” i zauważył, że pełna wiedza o całym układzie fizycznym (składającym się na przykład z dwóch splątanych fotonów) nie oznacza pełnej wiedzy o jego częściach (każdym z fotonów osobno). Schrödinger wykazał się tu wyjątkową przenikliwością, jednak jego uwaga pozostała długo niezauważona i dopiero pod koniec XX wieku fizycy zaczęli patrzeć na splątanie kwantowe w podobny sposób.

Czy informacje mogą być przesłane szybciej niż światło?

Przełom w ocenie słuszności mechaniki kwantowej, podważonej istnieniem splątania, nastąpił w 1964 roku, gdy John Bell udowodnił, że wszystkie teorie zakładające jednocześnie realizm i lokalność muszą spełniać pewne nierówności, dzisiaj nazywane nierównościami Bella. Dzięki jego pracy pojawiła się wreszcie możliwość zaprojektowania konkretnych doświadczeń, które pozwalałyby ustalić, czy mechanika kwantowa jest teorią tylko niekompletną, czy po prostu źle opisuje świat. Jednak na realizację trzeba było jeszcze długo czekać. Pierwsze doświadczenie bazujące na nierównościach Bella przeprowadzono dopiero w 1972 roku, na kolejne trzeba było poczekać dekadę. W 1998 roku zespół Nicolasa Gisina z Genewy wytworzył i utrzymał splątanie pary fotonów po przesłaniu cząstek na odległość 10 km, a Anton Zeilinger zaprezentował udoskonaloną wersję doświadczenia Aspecta. W 2006 roku zespół Zeilingera wytworzył splątanie na odległość 144 kilometrów. Rok później zespół Marka Żukowskiego z Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytetu Gdańskiego we współpracy z grupą Zeilingera przeprowadził doświadczalny test nielokalnego realizmu i ostatecznie wykluczył pewną klasę wariantów mechaniki kwantowej ze zmiennymi ukrytymi.

Pary splątanych fotonów można wytworzyć np. za pomocą kryształów nieliniowych. Gdy do wnętrza takiego kryształu wleci foton, może on być przetworzony na dwa fotony. Kryształ polaryzuje foton tworząc parę, w której jeden jeden foton „drga w poziomie”, a drugi „drga w pionie”. Nie jesteśmy w stanie stwierdzić, jaką polaryzację ma dany foton w parze. Tak splątane cząstki można jednak rozdzielić i przesłać do dwóch odległych od siebie laboratoriów. Gdy w jednym z nich dokonamy obserwacji fotonu, wytrącimy go z nieokreślonego stanu kwantowego do stanu dobrze określonego - zmierzmy, że miał taką a nie inną polaryzację. Obserwacja na jednym fotonie pozwala natychmiast przewidzieć stan jego splątanego partnera: naukowcy w drugim laboratorium muszą zobaczyć foton spolaryzowany w płaszczyźnie prostopadłej. Splątanie oznacza więc sytuację, gdy w celu określenia stanu jednej cząstki kwantowej niezbędna jest wiedza o stanie jej splątanego partnera. Taki układ fizyczny zachowuje swą spójność nawet po rozdzieleniu cząstek. Mogą one przebywać w dużej odległości od siebie, mimo to tworzą całość. Cały układ ma więc zdefiniowany swój stan kwantowy mimo faktu, że stany poszczególnych cząstek składowych pozostają nieokreślone. W idealnym przypadku, gdy obiekty kwantowe są splątane w maksymalnym stopniu, mierząc stan jednego potrafimy z całą pewnością ustalić, jaki stan zobaczymy u drugiego. Jednak w rzeczywistych sytuacjach układy cząstek splątanych zawsze oddziałują z otoczeniem, co tworzy pewien szum. Z reguły pomimo szumu możemy uzyskać informację o stanach kwantowych splątanych cząstek. Niekiedy zdarzają się jednak układy tak zniszczone szumem, że zwykła analiza nie pozwala odtworzyć tych danych. Aby było to możliwe, należy do układu wprowadzić inne splątanie, którego potem nie można już wydostać. Splątanie tego typu odkryli Polacy - nazwano je splątaniem związanym i obrazowo określa się mianem „czarnych dziur” kwantowej teorii informacji.

Na razie wygląda więc, że reguły mechaniki kwantowej dobrze opisują świat. Przez znaczną część swej historii splątanie odgrywało jednak rolę niemal wyłącznie w poznawaniu przez fizyków najbardziej fundamentalnych cech mechaniki kwantowej. Dużą niespodzianką okazało się to, że dzięki splątaniu można stworzyć niezwykle wydajne algorytmy kwantowe i bezpieczne protokoły komunikacyjne. W połowie lat osiemdziesiątych rozpoczęto więc badania zmierzające do budowy uniwersalnego komputera kwantowego – w maszynie takiej dane przetwarzałyby obiekty kwantowe. Teraz mechanika kwantowa jest największą nadzieją technologii przetwarzania informacji. Dzięki informatyce kwantowej obliczenia, które dawniej trwały lata będą możliwe do przeprowadzenia w ciągu kilku godzin.


Przemysław Goławski
na podstawie materiałów Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej