Znajdź zawartość

Naukowcy pracujący pod kierunkiem zespołu z Imperial College London dokonali niespodziewanego odkrycia. Jeśli się ono potwierdzi, możliwe będzie eksperymentalne zbadanie prawdziwości teorii strun. Teoria strun i jej późniejsze rozwinięcie - M-teoria - to matematyczny model budowy wszechświata. Jest ona rozwijana od 25 lat przez uczonych, chcących pogodzić ze sobą ogólną teorię względności oraz mechanikę kwantową. M-teoria to potencjalna teoria wszystkiego. Przewiduje ona istnienie wielowymiarowych przestrzeni, wielu wszechświatów, a największą jej słabością jest niemożność przetestowania, które z udzielanych przez nią odpowiedzi są prawdziwe. Profesor Michael Duff i jego koledzy w Imperial College odkryli, że teoria strun może służyć do przewidzenia zachowania splątanych cząstek. To z kolei oznacza, iż można ją przetestować w laboratorium. Nie uzyskamy dowodu na to, że teoria strun jest dobrą 'teorią wszystkiego', jakiej poszukują kosmolodzy i fizycy cząstek. Jednak jej sprawdzenie będzie bardzo ważne dla teoretyków, gdyż pokaże, czy teoria strun w ogóle działa, nawet na tych polach, na których się nie spodziewamy lub które nie są związane z fizyką - mówi Duff. Uczony wpadł na trop odkrycia podczas konferencji naukowej na Tasmanii, gdy słuchał wykładu dotyczącego matematycznej formuły opisującej splątanie kwantowe. Nagle zauważyłem, że formuła ta jest podobna do niektórych wzorów, które używałem do badania czarnych dziur na gruncie teorii strun. Gdy wróciłem do kraju zajrzałem do swoich notatek i okazało się, że matematyczne formuły opisujące tak różne rzeczy były identyczne - opowiada profesor. Jako,że potrafimy uzyskiwać i badań stany splątane, możliwe będzie wykorzystanie teorii strun do przewidywania ich zachowania, a następnie przeprowadzenie eksperymentów, które pozwolą stwierdzić, na ile przewidywania były prawidłowe. Profesor Duff zauważa, że nie wiadomo, dlaczego teoria strun może opisywać stany splątane. Jego zdaniem wytłumaczenia mogą być dwa: albo mówi nam to coś ważnego o wszechświecie, albo też jest to zwykły przypadek. Tak czy inaczej, jest to użyteczne - stwierdza uczony. Przeprowadzenie odpowiednich eksperymentów i wykonanie obliczeń będzie trudne, gdyż musi dotyczyć nie pary, ale czterech splątanych cząstek.

Naukowcy z Oxford University dokonali znaczącego kroku w kierunku budowy kwantowych komputerów. Po raz pierwszy w historii udało im się uzyskać na krzemie 10 miliardów splątanych kwantowo par elektron-atom. Uczeni wykorzystali pole magnetyczne oraz niską temperaturę do splątania elektronów z jądrami atomów fosforu umieszczonymi na krysztale krzemu. Każda z takich par, a właściwie jej spin, może przechowywać jeden bit kwantowej informacji. W pracach brali udział uczeni z Wielkiej Brytanii, Japonii, Kanady i Niemiec. Kluczowe było zestrojenie spinów za pomocą pola magnetycznego i niskiej temperatury. Później za pomocą precyzyjnych impulsów mikrofal oraz fal radiowych można spowodować, by spiny weszły w interakcję, doprowadzając do splątania, a następnie udowodnić, że do niego doszło - mówi Stephanie Simmons, główna autorka badań. Osiągnięcie jest tym bardziej ważne, że do uzyskanna par użyto materiałów, które już obecnie są wykorzystywane w przemyśle półprzewodnikowym, a zatem samo zintegrowanie istniejącej technologii z już istniejącymi nie powinno stanowić większego problemu. Stworzenie 10 miliardów stabilnych splątanych par w krzemie to dla nas ważny krok. Teraz musimy zastanowić się, jak połączyć te pary, by zbudować skalowalny komputer kwantowy - stwierdził doktor John Morton.

Splątanie kwantowe to zdumiewające zjawisko, w którym dwie cząstki elementarne (elektrony lub fotony) są tak ze sobą wirtualnie połączone, że zawsze posiadają taki sam stan, przy czym nie ma dla nich znaczenia odległość. Choć wydaje się to przeczyć rozsądkowi, efekt ten nie tylko jest potwierdzony, ale i wykorzystywany w kwantowej kryptografii, może także znaleźć zastosowanie w budowie kwantowych superkomputerów. Ze splątaniem wiąże się zjawisko nazywane kwantową teleportacją, czyli przeniesienie kwantowej informacji w przestrzeni. Dwaj australijscy uczeni z University of Queensland: S. Jay Olson i Timothy Ralph dołożyli kolejną cegiełkę do niesamowitości tego efektu, publikując teorię, że kwantowe splątanie rozciąga się nie tylko w przestrzeni, ale i czasie. Oznacza to, że można kwantową informację „wysłać" w przyszłość z pominięciem czasu pomiędzy. Tym samym wszystkie obserwowane efekty tego stanu i zastosowania mogą zostać wykorzystane na nowe, zaskakujące sposoby. Wyjaśnienie ich teorii jest zaskakująco intuicyjne: jeśli nie można opisać jednej cząstki bez uwzględnienia drugiej, to musi to dotyczyć nie tylko przestrzeni, ale także czasu. Koncepcja ta jest oczywiście mocno podparta odpowiednim aparatem matematycznym, zresztą, według słów autorów - z punktu widzenia matematyki nie ma różnicy, czy opisujemy przestrzeń, czy czas. Koncepcja spotkała się z przychylnym przyjęciem innych naukowców, w tym uczonych z University of Nottingham, którzy mieli okazję oglądać prelekcję Olsona i Ralpha na konferencji. Nie należy oczywiście rozumieć tego zjawiska jako prawdziwego przeskoku w czasie, a raczej jako „pominięcie" pewnego wycinka czasu. Naukowcy już zastanawiają się, jak zweryfikować ponadczasowe splątanie kwantowe i jakie praktyczne zastosowania mogłoby ono mieć. Najodważniejsze pomysły mówią o zastosowaniach typu przechowywania danych w czarnych dziurach. Weryfikacja tej koncepcji będzie jednak przede wszystkim kamieniem milowym fizyki kwantowej w wielu dziedzinach, jak na przykład przetestowanie efektu Unruha-Daviesa (dotychczas istniejącego tylko teoretycznie), wreszcie powie wiele na temat trafności kwantowych teorii pola. Jeśli koncepcja się nie potwierdzi, uważają naukowcy, będzie to równie znaczące dla naszego rozumienia świata materii.

W Nature Physics ukazał się artykuł, którego autorzy dowodzą, iż za pomocą odpowiedniego splątania cząstek w układzie pamięci możemy poradzić sobie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Zasada ta ogranicza naszą możliwość poznania świata na poziomie kwantowym. Heisenberg stwierdził bowiem, że nie możemy jednocześnie zmierzyć położenia i pędu cząstki, gdyż mierząc jedną, zmieniamy drugą. Bardziej przystępnie wyjaśnił to Paul Dirac, który stwierdził, że jedynym sposobem na zmierzenie położenia cząstki jest odbicie od niej fotonu i sprawdzenie, w którym miejscu detektora foton wyląduje. Uzyskamy w ten sposób informacje o położeniu, jednak sam fakt odbicia od niej fotonu spowoduje, że zmienimy jej pęd. Z tego też powodu dotychczas naukowcy sądzili, że poznanie z wystarczającą dokładnością obu zmiennych jest niemożliwe. Teraz jednak grupa uczonych doszła do wniosku, że wykorzystując kwantowe splątanie można uzyskać dokładne informacje o jednej z nich. Pomiar nie będzie co prawda idealnie precyzyjny, jednak uda się dzięki niemu pokonać granicę wyznaczaną przez zasadę nieoznaczoności. W teoretycznej pracy uczeni twierdzą, że należy maksymalnie splątać cząstkę z kwantową pamięcią. Splątanie takie musi objąć wszystkie stany i stopnie swobody cząstki. Po splątaniu i rozdzieleniu obserwator jest w stanie określić zmienną jednej z cząstek i poinformować zarządzającego pamięcią kwantową, która zmienna została zmierzona. Dane o drugiej zmiennej można uzyskać z układu pamięci, z którym cząstka była splątana. Artykuł autorstwa naukowców z ETH Zurich, Uniwersytetu Ludwiga Maksymiliana z Monachium, Instytutu Fizyki Teoretycznej w kanadyjskim Waterloo i Uniwersytetu Technicznego z Darmstadt jest rozważaniem czysto teoretycznym, w którym do obliczeń wykorzystano m.in. system Hilberta i entropię. Nie zbudowano jeszcze urządzenia, które pozwoliłoby dowieść prawdziwości ich stwierdzeń. Mimo to samo stworzenie teoretycznej podbudowy pod sposób na poradzenie sobie z ograniczeniami nakładanymi przez nieoznaczoność jest bardzo ważnym wydarzeniem. Jeśli uczeni mają rację, to fizykę kwantową czekają w przyszłości poważne zmiany. Sami autorzy wspomnianej na początku pracy mają zamiar wykorzystać swoje obliczenia do dalszego badania zjawiska splątania kwantowego.

Fizykom z uniwersytetu w São Paulo, Erlangen-Nuremberg i Instytutu Maksa Plancka udało się doprowadzić do kwantowego splątania trzech wiązek światła o różnych długościach. Dotychczas udawało się to w przypadku dwóch wiązek, a autorzy badań mówią, że dopiero trzy splątane wiązki mogą służyć jako węzły przyszłych sieci kwantowych. Nad komputerami i sieciami kwantowymi pracuje wiele grup badawczych. Prowadzą one bardzo różne projekty i już teraz możemy stwierdzić, że żadne pojedyncze rozwiązanie nie pozwoli na zbudowanie kwantowych sieci i maszyn. Każde z nich ma pewne zalety, ale i wady. Stąd też najprawdopodobniej systemy kwantowe będą systemami hybrydowymi, wykorzystującymi różne rozwiązania do osiągnięcia jednego celu. Jak mówi Paulo Nussenzveig z uniwersytetu w São Paulo, wśród obiecujących kandydatów do budowy systemów kwantowych znajdują się techniki tworzenia pułapek jonowych, kropki kwantowe, polarytony. W badaniach wykorzystuje się też nadprzewodniki, pole magnetyczne czy mikrofale. To obrazuje stopień skomplikowania i pokazuje, iż prawdopodobnie będziemy mieli do czynienia z systemem, na który złoży się wiele rozwiązań. Jednak rozwiązania te będą charakteryzowały się różnymi właściwościami, a więc w różny sposób będzie przebiegała ich interakcja ze światłem. Stąd konieczność stworzenia systemu przesyłu informacji, który poradzi sobie z tym zadaniem i dlatego tak ważne są badania przeprowadzone przez niemiecko-brazylijski zespół. By to zobrazować, Nussenzveig posługuje się następującym przykładem. Wyobraźmy sobie, że chcemy przesłać informację składowaną w atomach rubidu do odległego węzła sieci. Atomy drgają w odpowiedzi na światło o długości 780 nanometrów, ale fala taka słabo rozprzestrzenia się w sieciach optycznych. Musimy więc zmienić jej długość na 1550 nm. A na drugim końcu łącza mamy kropki kwantowe, w których chcemy zapisać przesłane informacje. Kropki reagują na światło o długości fali 800 nm. Dzięki splątaniu trzech fal możemy dokonać takiej operacji. Dodaje przy tym, że to, co zostało obecnie osiągnięte to jedynie dowód, że splątanie trzech długości fali jest możliwe. Na razie techniki tej nie da się wykorzystać w praktyce. Splątania trzech fali dokonano za pomocą parametrycznego oscylatora optycznego. Naukowcom udało się dzięki niemu uzyskać fale o długości 532, 1062 i 1066 nanometrów. Podczas badania splątanych fali okazało się, że czasem może dość do nagłej utraty stanu splątania, co zaburzy komunikację. Kolejne eksperymenty dowiodły jednak, że nie zdarza się to przy każdych częstotliwościach, co oznacza, że stany splątane nie mają identycznej natury. Ta obserwacja będzie przydatna na innych polach, gdyż wskazuje, że jeszcze jest sporo do odkrycia na temat natury i dynamiki splątania kwantowego. Większość ludzi sądzi, że wiemy już niemal wszystko o splątanych stanach Gaussa. My jednak zaobserwowaliśmy dwa stany Gaussa, oba ze splątaniem trzech elementów, które charakteryzowały się różną trwałością. Miały więc różne właściwości. Dlaczego tak się dzieje? Jak możemy przewidzieć, czy pewne splątane stany Gaussa będą trwałe czy też nie? Sądzimy, że ciągle czeka nas znalezienie odpowiedzi na podstawowe pytania - mówi Nussenzveig.

Nieco ponad rok temu sensacją było splątanie - czyli teleportacja właściwości - dwóch atomów oddalonych od siebie na odległość metra i połączonych światłowodem. Teraz naukowcy z Joint Quantum Institute (JQI) oraz University of Maryland (UMD) dokonali tego samego, ale bez pośrednictwa światłowodu. Tym samym udowodnili, że możliwe jest bezprzewodowe przekazanie informacji kwantowej na odległość 1 metra. Naukowcy opracowali metodę, która w 90% przypadków umożliwia bezproblemowy przesył informacji. Twierdzą przy tym, iż odsetek ten można zwiększyć. Christopher Monroe z JQI mówi, że pozwala ona nie tylko stworzyć sieć kwantowych układów pamięci, ale, po skojarzeniu z technikami operacji na kwantowych bitach, umożliwi przeprowadzanie kwantowych obliczeń. To właśnie jego zespół dokonał przed kilkunastoma miesiącami przewodowego splątania. Uczeni wykorzystali, podobnie jak i wówczas, iterb. Jego jony zostały zamknięte w specjalnych pułapkach, a akademicy zidentyfikowali dwa odmienne stany energetyczne, które mogły służyć jako bity. Początkowo dwa jony ustawiono w pozycjach wyjściowych. Następnie jon A poddano działaniu mikrofali, które ustawiły go w jednym ze stanów energetycznych. W ten sposób zapisano w nim informację. Później oba jony zostały potraktowane pikosekundowymi impulsami światła laserowego. Trwały one tak krótko, że każdy jon wyemitował tylko jeden foton. Każdy z fotonów przybierał jeden z dwóch kolorów (czerwony lub niebieski), w zależności od stanu kwantowego bitu (qubitu). Fotony były wyłapywane przez soczewki, kierowane do różnych nitek światłowodu, którymi wędrowały do zwierciadła półprzezroczystego. Jest ono skonstruowane w ten sposób, że istnieje 50-procentowa szansa, iż foton przejdzie przez zwierciadło i 50-procentowa - że się od niego odbije. Po każdej ze stron zwierciadła umieszczono detektory, reagujące na fotony. Oba fotony, gdy docierają do zwierciadła, mogą dać cztery różne kombinacje (niebieski-niebieski, czerwony-czerwony, niebieski-czerwony i czerwony-niebieski). Istnieje jedna i tylko jedna kombinacja, która powoduje, że każdy z fotonów wpada do osobnego wykrywacza. W innych przypadkach jeden z fotonów się odbije, a drugi przejdzie przez lustro i oba trafią do tego samego wykrywacza. Sytuacja, w której fotony trafiają do osobnych detektorów, zdarza się rzadko, tak więc konieczne jest wysyłanie tysięcy fotonów w ciągu sekundy. Gdy jednak już trafią one do osobnych detektorów, jest to sygnał, iż pomiędzy jonami iterbu doszło do kwantowego splątania. Wówczas naukowcy mierzą stan jonu A. Sam akt pomiaru zmienia jego stan, ale, ponieważ A jest splątany z B, to zmianie ulega też stan jonu B. W zależności od tego, jaki stan przybrał A, naukowcy dokładnie wiedzą, jakie właściwości powinny mieć mikrofale, by udało się odczytać informację z jonu B. Informację, która została mu przekazana przez jon A. Jak podkreślają uczeni, w rzeczywistości informacja nigdzie nie wędruje. Ona po prostu podczas pomiaru znika z jonu A i pojawia się w jonie B. Szczególną zaletą naszej metody jest połączenie wyjątkowych właściwości fotonów i atomów. Fotony idealnie nadają się do szybkiego przekazywania informacji na duże odległości, a atomy są dobrym medium do długotrwałego przechowywania informacji w pamięci - mówi Monroe.