W fizyce kwantowej istnieje subtelne zjawisko, odkryte teoretycznie pod koniec ubiegłego wieku przez grupę naukowców z Uniwersytetu Gdańskiego. Mowa o splątaniu związanym, które często w wyniku swoich właściwości nazywane jest „czarną dziurą”. Teraz zostało ono po raz pierwszy zaobserwowane w doświadczeniach laboratoryjnych w Szwecji i Niemczech.
Doświadczenia z fotonami, przeprowadzone na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Sztokholmskiego, potwierdzają istnienie splątania związanego, które teoretycznie w 1998 roku opisali Polacy: Ryszard Horodecki i jego synowie, Paweł i Michał. - Nasze odkrycie było zaskakujące, nikt wcześniej się nie spodziewał, że taki rodzaj splątania może istnieć – mówi prof. Ryszard Horodecki, obecnie dyrektor Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej (KCIK). - Tym większą satysfakcję mamy teraz, gdy po 11 latach wreszcie udało się je wytworzyć i zaobserwować w laboratorium - dodaje.
Splątanie kwantowe występuje na ogół między obiektami o kwantowych rozmiarach. Zazwyczaj pojawia się, gdy w jednym procesie fizycznym powstają lub oddziałują pary cząstek elementarnych. Cząstki kwantowe w parze są ze sobą specyficznie związane tak, że oddziałują na siebie nawet gdy są oddalone. - W wyniku oddziaływania, podczas którego powstaje splątanie, obie cząstki zaczynają tworzyć jeden układ fizyczny – wyjaśnia prof. Ryszard Horodecki. Gdy mierzymy stan jednej cząstki splątanej, druga, odległa, natychmiast przechodzi do stanu dopełniającego.
W idealnym przypadku, gdy w układzie znajdują się tylko badane cząstki splątane, mierząc stan jednej możemy z całą pewnością ustalić, co zobaczymy u drugiej. Jednak w rzeczywistych sytuacjach układ cząstek splątanych zawsze oddziałuje z otoczeniem, co silnie zaburza splątanie i prowadzi do jego szybkiej degeneracji. Osłabione szumami splątanie można próbować odtworzyć. Odkrycie rodziny Horodeckich pokazało jednak, że w układach fizycznych mogą istnieć stany splątane tak zaszumione, że nie jest możliwe odtworzenie z nich pierwotnych, czystych stanów splątanych. - Rzecz w tym, że aby wytworzyć znalezione przez nas stany kwantowe, trzeba do układu wprowadzić trochę splątania. Ono musi tam być. My zaś pokazaliśmy, że potem nie można już go wydobyć, że staje się ono na zawsze związane z układem – mówi Michał Horodecki. Ta niezwykła cecha splątania związanego spowodowała, że stany wykazujące jego istnienie nazywa się obrazowo „czarnymi dziurami” kwantowej teorii informacji.
Pierwsze doświadczenia potwierdzające istnienie splątania związanego udało się przeprowadzić dopiero w tym roku. W sierpniu Elias Amselem i Mohamed Bourennane z Uniwersytetu Sztokholmskiego wykorzystali oddziaływanie femtosekundowych impulsów laserowych z odpowiednio dobranym kryształem boranu baru do wytworzenia par fotonów, których polaryzacja wykazywała splątanie kwantowe. Fotony te były następnie odbijane przez zwierciadło i ponownie kierowane do kryształu, gdzie każdy znów ulegał rozdzieleniu na dwa kolejne fotony. Czwórki tak splątanych fotonów były następnie poddawane losowym zaburzeniom za pomocą ruchomych płytek półfalowych, zmieniających polaryzację światła. Ruch płytek był kontrolowany przez komputer korzystający z zewnętrznego generatora liczb losowych. Odpowiednio dobierając warunki doświadczenia, badacze starali się doprowadzić do wytworzenia stanów splątania związanego między czterema fotonami. Aby potwierdzić ich istnienie, z tak zaszumionego układu próbowano następnie odtworzyć splątanie. Otrzymane wyniki, opublikowane w „Nature Physics”, jednym z najbardziej prestiżowych czasopism fizycznych, zgadzały się z przewidywaniami teoretycznymi uwzględniającymi obecność splątania związanego.
Równolegle nad wytworzeniem splątania związanego pracował międzynarodowy zespół naukowców z Politechniki w Dortmundzie (Xinhua Peng i Dieter Suter) oraz Uniwersytetu w Düsseldorfie (Hermann Kampermann i Dagmar Bruss). W tym przypadku stany ze splątaniem związanym wytworzono w cieczy za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego.
Typowe splątanie pełni kluczową rolę w wielu zastosowaniach kwantowej informacji, głównie w kryptografii kwantowej. Jednak początkowo, brak możliwości wydobycia splątania związanego z układu fizycznego powodował, że ta odmiana splątania wydawała się mało przydatna. - W 1999 roku odkryliśmy tzw. efekt aktywacji związanego splątania, który cztery lata później udało się wzmocnić grupie fizyków z firmy IBM, współpracującej z matematykiem i informatykiem prof. Peterem Shorem, twórcą słynnego algorytmu kwantowego rozkładu liczb naturalnych na czynniki pierwsze – wspomina Paweł Horodecki. Okazało się wówczas, że w pewnych warunkach między dwoma obiektami kwantowymi, znajdującymi się w stanach zazwyczaj nieprzydatnych dla kwantowej komunikacji, można jednak przesłać informację. Z biegiem czasu odkryto więcej zastosowań splątania związanego, między innymi metody otrzymywania tajnego klucza kryptograficznego oraz zmniejszania złożoności komunikacyjnej w pewnych sytuacjach.
- Odkrycie związanego splątania ma przy tym duże znaczenie poznawcze – podkreśla Ryszard Horodecki. – Odsłania bowiem przed nami ważny fakt przyrodniczy: istnienie nowego typu nieodwracalności w naturze. Jak sugerują ostatnie badania, nakłada także fundamentalne ograniczenia na wydajność komputerów kwantowych. Fizycy są obecnie przekonani, że udało się odsłonić zaledwie część zagadkowych własności czarnych dziur kwantowego splątania.
Przemysław Goławski
Na podstawie materiałów KCIK
