Nie trzeba sztucznie splątywać cząstek, aby czerpać z ich nieklasycznych właściwości choćby w dziedzinie informacji kwantowej i technologii kwantowych. Nielokalność jest dosłownie na wyciągnięcie ręki, bo wynika z ich fundamentalnej identyczności – ustalili polscy naukowcy.
Nielokalność to zaskakująca cecha świata kwantowego – odległe cząstki potrafią zachowywać się jak jeden układ. Dwaj fizycy - Paweł Błasiak i Marcin Markiewicz, pokazali, że ta nielokalność wynika z faktu, że wszystkie cząstki tego samego typu (np. fotony, elektrony) są absolutnie identyczne. Ta fundamentalna nierozróżnialność sprawia, że nawet cząstki, które nigdy ze sobą nie oddziaływały, są ze sobą splątane – od Ziemi po odległe galaktyki.
Ich praca rzuca nowe światło na istotę pojęcia cząstki. Wskazuje je jako pierwotne źródło kwantowego splątania. Okazuje się, że natura pozwala czerpać z tego pierwotnego splątania, którego przejawem jest nielokalność, możliwa do zaobserwowania przy użyciu prostych układów optycznych.
Dwaj teoretycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie oraz Instytutu Informatyki Teoretycznej i Stosowanej Polskiej Akademii Nauk (IITiS PAN) w Gliwicach opublikowali wyniki swoich badań w czasopiśmie „npj Quantum Information”, należącym do grupy wydawniczej „Nature”.
– Splątanie to termin głęboko zakorzeniony w abstrakcyjnej teorii kwantów. Natomiast pojęcie lokalności odwołuje się do zdroworozsądkowej zasady, zgodnie z którą zdarzenia mają swoje przyczyny i skutki, rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością, nie większą niż prędkość światła. Gdy jednak takiego wyjaśnienia brakuje, wchodzimy w obszar zjawisk nielokalnych – tłumaczą naukowcy.
W swoim przełomowym odkryciu fizyk John Stewart Bell wskazał eksperyment, którego nie sposób zinterpretować lokalnie. Kluczowym elementem tego scenariusza jest splątanie dwóch odrębnych układów, na których badacze – tradycyjnie nazywani Alicją i Bobem – mogą wykonywać dowolne i niezależne pomiary.
– Na pozór sprawa może wydawać się prosta: splątane układy łamią nierówności Bella, więc wystarczy dobrze zaplanować eksperyment. Owszem, ale dotyczy to jedynie układów rozróżnialnych, które można ponumerować i wysłać do dwóch odległych laboratoriów. W przypadku cząstek identycznych cała ta konstrukcja staje się nieprzydatna – mówi dr hab. Paweł Błasiak z IFJ PAN.
Wyjaśnia dalej, że zgodnie z mechaniką kwantową identyczne cząstki są z natury nierozróżnialne. – W praktyce nie wykonujemy więc pomiarów na „tej konkretnej” cząstce, lecz na „jakiejś” cząstce w danym miejscu. Mechanika kwantowa konsekwentnie broni się przed próbami nadania im indywidualnych etykietek, i właśnie dlatego klasyczny scenariusz Bella nie daje się tu zastosować – tłumaczy badacz.
Współautor artykułu, dr hab. Marcin Markiewicz z IITiS PAN, doprecyzowuje, że wprowadza to nowe reguły gry w opisie świata.
– To właśnie z zasady identyczności cząstek wynika podział na fermiony i bozony, czyli dwa światy, które tworzą fundament budowy atomów i ich jąder oraz decydują o strukturze oddziaływań. Nierozróżnialność wprowadza też zamieszanie w samym pojęciu splątania: w przypadku cząstek identycznych nie działa ono tak, jak jesteśmy do tego przyzwyczajeni – i traci część swojej użyteczności – opisuje dr hab. Markiewicz.
Współczesne eksperymenty nad splątaniem polegają na jego sztucznym wytwarzaniu poprzez oddziaływania zachodzące między cząstkami wchodzącymi w układzie kwantowym. Tymczasem mechanika kwantowa wskazuje także na inny, bardziej fundamentalny mechanizm: splątanie – a wraz z nim być może także nielokalność – jawi się jako bezpośrednia konsekwencja identyczności cząstek tego samego typu. W takim ujęciu nielokalność mogłaby ujawniać się nawet między cząstkami, które nigdy wcześniej ze sobą nie oddziaływały.
Polscy naukowcy zastanawiali się, czy w prostym układzie optycznym – złożonym jedynie z luster, płytek światłodzielących i detektorów – da się złamać nierówności Bella, używając identycznych cząstek. Okazało się, że tak! Wszystkie stany fermionów i niemal wszystkie stany bozonów (z wyjątkiem tych dających się sprowadzić do jednego modu) okazują się autentycznymi zasobami nielokalności.
To bardzo zaskakujące: nie trzeba sztucznie splątywać cząstek – nielokalność jest wbudowana w ich identyczność! Wystarczy pasywna optyka, by ją ujawnić. Badania te otwierają drogę do prostszych eksperymentów oraz technologii kwantowych, pokazując, że świat jest nielokalny „od urodzenia”. Identyczność cząstek to uniwersalne, darmowe źródło splątania. Polscy fizycy pokazali, jak z niego skorzystać – i że działa niemal zawsze.
„Z naszych badań wynika, że możemy sięgać po splątanie ukryte w fundamentalnej nierozróżnialności cząstek. Czyżby zatem nielokalność była immanentną cechą naszego świata, obecną w każdym jego zakątku? Wszystko wskazuje na to, że tak, a źródłem tej niezwykłej właściwości jest na pozór prosty postulat o identyczności cząstek tego samego typu” – podsumowuje dr hab. Paweł Błasiak, którego badania były współfinansowane ze stypendium Fulbright Senior Award 2022–23 w Institute for Quantum Studies na Chapman University w Kalifornii.
Nauka w Polsce (PAP)
kol/ zan/
Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.
