Splątanie świata

S p l ą t a n i e z w i ą z a n e – subtelne zjawisko kwantowe odkryte pod koniec XX wieku przez grupę fizyków z Uniwersytetu Gdańskiego –  zostało po raz pierwszy zaobserwowane w doświadczeniach laboratoryjnych. Przeprowadzono je w Szwecji i Niemczech. DDoświadczenia z czwórkami fotonów przeprowadzone na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Sztokholmskiego potwierdzają istnienie nowego zjawiska kwantowego – splątania związanego. Ta subtelna odmiana splątania została okryta w 1998 r. przez Ryszarda Horodeckiego i jego synów Pawła i  Michała. – Nasze odkrycie było zaskakujące, nikt wcześniej się nie  spodziewał, że taki rodzaj splątania może istnieć – mówi 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 występuje na ogół między obiektami o kwantowych rozmiarach. Zazwyczaj pojawia się, gdy w jednym procesie fizycznym powstają lub oddziałują pary cząstek elementarnych. Rodowód splątania kwantowego sięga 1935 r., gdy Albert Einstein, Borys Podolski i Natan 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, że w pewnych sytuacjach cząstki kwantowe (fotony, elektrony itp.), które wcześniej w specyficzny sposób z 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. – W wyniku oddziaływania, podczas którego powstaje splątanie, obie cząstki zaczynają tworzyć jeden układ fizyczny. Zachowuje on swą spójność nawet wówczas, gdy rozdzielimy cząstki – wyjaśnia prof. Ryszard Horodecki. Pomiar przeprowadzony na  jednym splątanym obiekcie jest więc w rzeczywistości przeprowadzany na  całym układzie, czyli na wszystkich obiektach go tworzących, niezależnie od miejsca, w którym się znajdują. Dlatego gdy mierzymy stan jednej cząstki splątanej, druga, odległa, natychmiast przechodzi do stanu dopełniającego. W idealnym wypadku, gdy w układzie znajdują się tylko badane cząstki splątane, mierząc stan jednej, możemy z całą pewnością ustalić, co zobaczymy u drugiej. W rzeczywistych sytuacjach układ cząstek splątanych zawsze oddziałuje z otoczeniem, które silnie zaburza splątanie i prowadzi do jego szybkiej degeneracji. Osłabione szumami splątanie można próbować odtworzyć. Odkrycie Horodeckich polegało na  pokazaniu, 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 własność splątania związanego spowodowała, że niekiedy stany wykazujące jego istnienie nazywa się obrazowo „czarnymi dziurami" kwantowej teorii informacji. Albert Einstein jest jednym z autorów paradoksu EPR: cząstki kwantowe, które z sobą oddziaływały, powinny reagować na zmianę stanu partnera Pierwsze doświadczenia potwierdzające istnienie splątania związanego udało się przeprowadzić dopiero w 2009 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 z fizyki, 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 wypadku stany ze splątaniem związanym wytworzono w cieczy za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego. Rezultaty, upublicznione w internecie we wrześniu, zostaną wkrótce opublikowane na łamach czasopisma „Physical Review Letters”. Typowe splątanie pełni kluczową funkcję w wielu zastosowaniach kwantowej informacji, np. w kryptografii kwantowej. Brak możliwości wydobycia splątania związanego z układu fizycznego powodował jednak, że ta odmiana splątania wydawała się początkowo mało przydatna. – W 1999 r. 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. – Odkrycie związanego splątania ma 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.

Leszek Henisz