Inne wpisy o powiązanej tematyce:
Kryptografia kwantowa, czyli w poszukiwaniu absolutu
Chaos, czyli efekt motyla
Miara wszechrzeczy, czyli pofilozofujmy
Liczby trochę mniejsze od nieskończoności
Czy fizyka jest nudna? Dla większości jest nudna, bo co jest ciekawego w równi pochyłej albo w prawie Archimedesa? Istnieją jednak dziedziny fizyki, które budzą szczególne zainteresowanie. Dotyczy to szczególnie zagadnień z pogranicza science-fiction, a wręcz zaprzeczających zdrowemu rozsądkowi: teoria względności, teoria kwantów, rozszczepienie atomu, nadprzewodnictwo czy fuzja jądrowa. Ostatnio na medialnym topie znalazło się splątanie kwantowe, wyróżnione (jeśli można tak powiedzieć o dziedzinie nauki) Nagrodą Nobla z fizyki za 2022 rok. Otrzymał ją profesor Anton Zeilinger [2], austriacki fizyk-teoretyk z Uniwersytetu Wiedeńskiego (na spółkę z Alainem Aspectem i Johnem F. Clauserem). Profesor Zeilinger jest doktorem honoris causa Uniwersytetu Gdańskiego. On i drugi z noblistów – Alain Aspect od lat współpracują z Międzynarodowym Centrum Teorii Technologii Kwantowych Uniwersytetu Gdańskiego.
Czym jest splątanie kwantowe?
Najprościej można powiedzieć, że jeśli dwa obiekty kwantowe, na przykład atomy, po uprzednim schłodzeniu i przygotowaniu w odpowiednich stanach kwantowych, “zetkniemy” ze sobą w pewien szczególny sposób, pozwalając oddziaływać im elektromagnetycznie, poprzez wymianę fotonów lub pól kwantowych, a następnie rozdzielimy, to stają się jednym obiektem kwantowym, a wartość pomiaru wielkości kwantowej jednej cząstki jest ściśle skorelowana z wartością tej wielkości drugiej cząstki, niezależnie od dzielącej je odległości tak, aby stan układu (superpozycja) pozostał bez zmian.
Splątanie fotonów można uzyskać za pomocą kryształów nieliniowych (Ryc. 2). Wpuszczając do takiego kryształu jeden foton możemy uzyskać dwa fotony splątane, drgające w prostopadłych do siebie płaszczyznach. Następnie, za pomocą światłowodu, możemy oddalić te fotony na znaczną odległość i przeprowadzić pomiar.
“Niezależnie” rzeczywiście oznacza “niezależnie”, bo odległości mogą być kosmiczne a ich wpływ na efekt splątania – żaden. Mierząc stan cząstki, która mamy pod ręką “mierzymy”, natychmiast i zdalnie, stan cząstki praktycznie nieskończenie odległej. Czy to oznacza, że możemy przenosić informację z prędkością większą od prędkości światła? Niestety nie, tu nadal obowiązuje zasada wynikająca z równań Einsteina, że prędkość światła jest największą prędkością, jaką może osiągnąć materia lub energia. Obala to mit, że tą metodą możemy transmitować informację z nieskończoną prędkością. Można natomiast powiedzieć, że dokonujemy w pewnym sensie teleportacji informacji. Odczytując stan jednej cząstki po prostu wiemy, jaki jest stan drugiej cząstki. Na przykład para splątanych fotonów ma przeciwne polaryzacje. Przed dokonaniem pomiaru każdy foton jest w nieoznaczonym stanie kwantowym, zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Przed pomiarem znamy stan całego układu (przeciwne polaryzacje fotonów), nie znając stanów składników tego układu (który foton drga w polaryzacji poziomej H, a który w pionowej V?). Układ ten jest jednym obiektem kwantowym. Dopiero sam fakt pomiaru pierwszego fotonu determinuje stan drugiego fotonu. Mówiąc inaczej, generując strumień par niesplątanych fotonów, wysyłając każdy foton z pary do innego obserwatora (A i B) i mierząc parami ich polaryzację otrzymamy zgodność polaryzacji fotonów A i B w 50% przypadków, co jest wynikiem intuicyjnie przewidywalnym. Jeśli natomiast fotony w każdej parze będą przed wysłaniem splątane, to korelacja będzie stuprocentowa.
Splątane fotony przed odczytem ich wartości splątania znajdują się w stanie tzw. superpozycji kwantowej, to znaczy, że posiadają jednocześnie wszystkie stany możliwe do odczytania. Przyjmując, że polaryzacja H oznacza 0 (zero), a polaryzacja V oznacza 1, splątane fotony mają jednocześnie wartość 0 i 1. Dopiero sam akt odczytu (jednego fotonu) determinuje ostatecznie wartości polaryzacji obu fotonów.
Pierwsze doświadczenia splątania kwantowego przeprowadzono w 1972 roku, a w 1998 zespół Nicolasa Gisina z Genewy wytworzył i utrzymał splątanie pary fotonów po przesłaniu na odległość 10 km. Wspomniany wcześniej Anton Zeilinger utrzymał splątanie fotonów odległych o 144 kilometry. Obecnie splątanie realizuje się na odległości liczone w tysiącach kilometrów, między Ziemią a wyspecjalizowanymi satelitami. O tym będzie później, przy okazji opisu kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego (QKD).
Idea splątania kwantowego doprowadziła grupę włoskich fizyków z turyńskiego Narodowego Instytutu Badań Meteorologicznych (INRiM) do wniosku, że czas jest złudzeniem i zaczyna biec dopiero po interakcji obserwatora z (umownym) zegarem. Jest to wniosek filozoficzny, niepoparty dowodem matematycznym, a tym bardziej doświadczeniem, ale należy przyznać, że jego piękno jest niezaprzeczalne.
Trochę historii
Wszystko zaczęło się od Alberta Einsteina. W 1935 roku opublikował on, wspólnie z Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem pracę mającą dowieść, że mechanika kwantowa nie jest teorią kompletną. Powszechnie bowiem wiadomo, że Einstein był wrogiem teorii kwantowej, a szczególnie jej interpretacji probabilistycznej. Mawiał nawet, że “Bóg nie gra w kości”. W wyniku przeprowadzonego eksperymentu myślowego zwanego paradoksem EPR (Einsteina-Podolskiego-Rosena) pokazano na gruncie matematycznym mechaniki kwantowej, że w pewnych sytuacjach cząstki kwantowe powinny natychmiast reagować na zmianę stanu swojego splątanego partnera, nawet jeśli ten znajduje się w dowolnie dużej odległości. Przeczyłoby to aksjomatowi, że informacja nie może być przekazywana z prędkością większą od prędkości światła. „Księżyc istnieje także wtedy, gdy na niego nie patrzę”, mawiał Einstein i nazwał splątanie „upiornym oddziaływaniem na odległość”. Inny fizyk teoretyczny, jeden z ojców-założycieli mechaniki kwantowej, Erwin Schrödinger (ten od kota), zainspirowany eksperymentem myślowym EPR, jako pierwszy wprowadził termin „splątanie” i stwierdził, że wiedza o układzie fizycznym (na przykład dwa splątane fotony) nie oznacza wiedzy o jego częściach (poszczególnych fotonach). Było to prorocze spostrzeżenie, docenione dopiero pod koniec XX wieku.
(Wikimedia Commons/J-Wiki [GNU Free Documentation License – domena publiczna])
Natura splątania kwantowego
Naturę splątania kwantowego próbował wyjaśnić Einstein, wprowadzając pojęcie zmiennych ukrytych czyli informacji zawartych w fotonach przed osiągnięciem stanu splątanego. Te właśnie zmienne ukryte miałyby oddziaływać później na splątane fotony. Teoria ta została obalona przez Johna Stewarta Bella, który sformułował w 1964 twierdzenie (zwane nierównościami Bella) mówiące, że “Żadna lokalna teoria zmiennych ukrytych nie może opisać wszystkich zjawisk mechaniki kwantowej.”.
Najciekawszą teorią tłumaczącą stan splątania kwantowego, bazującą na pracy Stephena Hawkinga z 1964 roku o tym, że czarne dziury wcale nie są takie “czarne” i emitują promieniowanie, jest hipoteza równoważności splątania kwantowego z tunelami czasoprzestrzennymi, tzw. tunelami Einsteina-Rosena. Oba wymienione pojęcia wynikają wprost z dwóch artykułów Alberta Einsteina z 1935 roku, ale Einstein nawet nie podejrzewał, że mogą być one ze sobą powiązane. Tunele czasoprzestrzenne wynikają z jednego z rozwiązań równań Einsteina zaproponowanego przez niemieckiego fizyka Karla Schwarzschilda, genialnego, przedwcześnie i tragicznie zmarłego geniusza. Rozwiązanie było na tyle dziwne, że dopiero w latach 60. XX wieku zorientowano się, że opisuje ono tunel czasoprzestrzenny łączący dwie czarne dziury. Juan Macaldena [1], fizyk teoretyczny z Princeton uważa, że dzięki splątaniu kwantowemu tworzy się geometryczne połączenie między dwoma czarnymi dziurami, które poprzez swoje wnętrze tworzą tunel czasoprzestrzenny. Dwie czarne dziury, wyglądające z zewnątrz jak dwa niezależne obiekty, w rzeczywistości mają wspólne wnętrze. Oczywiście użyte pojęcie “geometryczny” nie oznacza naszej zwykłej geometrii trójwymiarowej ale wymiarów wyższych, w których nasz trójwymiarowy Wszechświat jest zanurzony.
Splątanie kwantowe w praktyce
Obiecującym zastosowaniem splątania kwantowego jest kryptografia kwantowa, a konkretnie bezpieczna dystrybucja kluczy kryptograficznych. Odbywa się to za pomocą satelity, który generuje klucz i rozsyła go laserowo do odbiorców. Specyfika splątania gwarantuje 100% zabezpieczenie przed podsłuchem lub sfałszowaniem, gdyż każda próba ingerencji, na przykład odczyt albo zmiana treści, w wysyłaną wiązkę fotonów spowoduje niejako zniszczenie zawartej w niej informacji. Elementem protokołu jest informacja kontrolna, której pozytywna weryfikacja gwarantuje brak ingerencji w przesyłany strumień informacji, co oznacza, że nie nastąpił podsłuch transmisji. Po pomyślnej weryfikacji w węźle odbiorczym, uzyskujemy (wynikającą z praw mechaniki kwantowej) gwarancję poufności klucza.
Kwantowa dystrybucja klucza (Quantum Key Distribution QKD) powoli staje się pełnoprawnym elementem ekosystemu szyfrowania danych. W dalszym ciągu kanał przesyłania danych jest klasycznym kanałem cyfrowym a kanał dystrybucji klucza szyfrującego jest kanałem kwantowym. Należy odnotować znaczny wkład polskich badaczy w rozwój QKD. Najdłuższe w Europie łącze QKD jest właśnie testowane między Poznaniem a Warszawą. Jeden z najlepszych protokołów QKD wykorzystujących splątanie fotonów o nazwie E91 jest dziełem polskiego fizyka Artura Ekerta.
Źródła:
Równoważność splątania kwantowego i tuneli czasoprzestrzennych
https://www.projektpulsar.pl/struktura/2161853,1,splatanie-i-tunele-czasoprzestrzenne-faktycznie-sa-rownowazne.read
Wywiad z Antonem Zellingerem https://wyborcza.pl/7,75400,5801859,o-dziwacznych-prawach-mechaniki-kwantowej-opowiada-guru.html
Wywiady z noblistami 2022
https://optics.org/news/13/10/6
Intercontinental, Quantum-Encrypted Messaging and Video
https://physics.aps.org/articles/v11/7
Global quantum internet dawns, thanks to China’s Micius satellite
Czy fizyka nicości leży u podstaw wszystkiego?
https://przystaneknauka.us.edu.pl/artykul/czy-fizyka-nicosci-lezy-u-podstaw-wszystkiego
https://space24.pl/satelity/splatanie-kwantowe-z-poziomu-nanosatelity-nowy-rozdzial-badan-analiza