Grupa polskich fizyków wykazała w artykule opublikowanym w "Physical Review Letters", że wielociałowe stany Bella mogą być generowane przez oddziaływania pomiędzy bozonowymi ultrazimnymi atomami umieszczonymi w sieciach optycznych. Badacze wykazali, że jest to możliwe, jeśli używa się tzw. protokołu jednoosiowoskrętnego, znanego z generowania tzw. stanów ściśniętych spinowo.

W skład grupy weszli dr Marcin Płodzień i prof. Maciej Lewenstein z ICFO, a także dr hab. Jan Chwedeńczuk z Uniwersytetu Warszawskiego i dr hab. Emilia Witkowska z Instytutu Fizyki PAN.

CO TO SĄ KORELACJE BELLA?

W układach kwantowych mogą występować specjalne korelacje między cząstkami, które nie mają swoich odpowiedników w świecie klasycznym. Za ich sprawą obserwować daje się dziwne i sprzeczne z intuicją zjawiska. Przykładem tego typu korelacji są tzw. korelacje Bella.

I tak jeśli cząstki wykazują korelacje bellowskie - to bez względu na to, jak daleko się od siebie znajdują, wyniki pomiarów dokonanych na nich są ze sobą bezpośrednio powiązane. To, co dzieje się z jedną z cząstek w takim układzie, decyduje o tym, co dzieje się z pozostałymi. Jest to możliwe również w układach, w których wiele cząstek jest w tak zwanej superpozycji wielu stanów.

Jako przykład stanów Bellowskich można rozważyć 100 kubitów w tzw. maksymalnie splątanym stanie GHZ (od nazwisk Greenberg-Horne-Zeillinger). Jest on superpozycją stanów, gdzie mamy 100 kubitów w tzw. stanie górnym oraz 100 kubitów w tzw. stanie dolnym. Wystarczy sprawdzić, w którym stanie znajduje się dowolnie wybrany kubit a stan pozostałych 99 zostanie natychmiastowo wyznaczony przez dokonany pomiar na jednym z nich. "Podkreślmy to – niezależnie od tego, jak są od siebie daleko rozdzielone, nie będzie ‘żadnego’ czasu oczekiwania na sygnał o informacji pomiaru na wybranym kubicie do pozostałych 99" - opisują badacze.

Korelacje Bella są kluczowym elementem rozwoju technologii kwantowych, wykorzystujących unikalne właściwości systemów kwantowych do wykonywania zadań, które nie są możliwe przy użyciu klasycznych technologii. Wśród zastosowań są: teleportacja kwantowa, kryptografia kwantowa lub obliczenia kwantowe.

"Wytwarzanie wielociałowych stanów Bellowskich, zwłaszcza tych zaimplementowanych w ultrazimnych gazach atomowych, jest zadaniem dalece nietrywialnym" - komentują przedstawiciele zespołu.

Polscy badacze właśnie pokazali, że jest to możliwe przy użyciu tzw. protokołu jednoosiowoskrętnego, znanego z generowania stanów ściśniętych spinowo.

STANY ŚCIŚNIĘTE

Ściśnięcie spinowe jest zjawiskiem występującym w układzie cząstek o wspólnym stanie kwantowym, takim jak grupa atomów lub jonów. Polega ono na jak największym zmniejszeniu niepewności pomiaru jednej z obserwowalnych zmiennych, tzw. zmiennych "spinowych", kosztem zwiększenia niepewności pomiaru innych zaangażowanych zmiennych.

Jedną z najbardziej znanych metod generowania ściśniętych stanów splątanych jest właśnie dynamiczny protokół jednoosiowoskrętny. Można go zaimplementować przy użyciu ultrazimnych gazów atomowych oddziałujących poprzez zderzenia lub sprzężenie ze światłem. Dotychczas istniało ogólne zrozumienie tego, jak tworzą się wielociałowe stany splątane oraz korelacje Bella pomiędzy dwoma cząstkami w całym układzie. Otwartym pozostało pytanie, czy ściśnięcie jednoosiowe pozwala wytworzyć korelacje Bella pomiędzy wszystkimi cząstkami naraz.

W swojej pracy naukowcy wykazali, że wspomniany protokół jest również doskonałym źródłem wielociałowych korelacji Bella. Badacze zastosowali wspomniany protokół jednoosiowoskrętny i przedstawili systematyczną analizę stanów pojawiających się podczas dynamiki.

Wyznaczyli również charakterystyczny czas, w którym pojawiają się wielociałowe korelacje Bella w zależności od liczby cząstek w układzie.

Ogólne zależności zostały następnie zastosowane do sklasyfikowania korelacji Bella w konkretnym układzie fizycznym, realizowanym obecnie w laboratoriach, chodzi o ultrazimne gazy atomowe umieszczone w jednowymiarowej sieci optycznej.

"Wyniki uzyskane w tym badaniu pokazują, że wielociałowe korelacje kwantowe można wytworzyć przy pomocy obecnej technologii. Jest to bardzo ważne z punktu widzenia potencjalnych zastosowań, gdyż wiadomo, że korelacje Bella zwiększają precyzję czujników kwantowych lub poprawiają bezpieczeństwo kwantowych protokołów kryptograficznych" - komentują naukowcy w przesłanym PAP komunikacie.

"Badania fundamentalnych aspektów wytwarzania takich ultranieklasycznych stanów wielociałowych są istotne, zwłaszcza w świetle ostatniej nagrody Nobla, która została przyznana za pionierskie badania takich zjawisk" - komentują naukowcy.

Przypominają, że stany Bella zostały już dawniej zaobserwowane w eksperymentach ze splątanymi fotonami. "Wyniki tych eksperymentów poparły przewidywania mechaniki kwantowej. Oznacza to, że mechanika kwantowa jest teorią, która opisuje rzeczywistość w nanoskali, i nie może być zastąpiona przez inną teorię - tzw. teorię wykorzystującą ukryte zmienne. Te wyniki prac doświadczalnych zostały uhonorowane tegoroczną nagrodą Nobla dla Johna Clausera, Alaina Aspecta i Antona Zeilingera" - podsumowują naukowcy.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/