Znajdź zawartość

Teoria de Broglie-Bohma, czyli alternatywne podejście do zagadnień mechaniki kwantowej, została właśnie wsparta ciekawym eksperymentem, którego wyniki mogą mieć znaczne implikacje w wielu zastosowaniach - od symulowania złożonych molekuł po tunelowanie kwantowe. Z tradycyjnego punktu widzenia fotony są jednocześnie falą i cząsteczką. Te ostatnie objawiają się jako gęstość prawdopodobieństwa, a z zasady nieoznaczoności Heisenberga wiemy, że nie można jednocześnie zmierzyć położenia cząsteczki i jej prędkości. Teraz uczeni z USA, Australii, Kanady i Francji poinformowali, że znaleźli sposób jak zmierzyć to, co dotychczas wydawało się niemożliwe. Udało im się mianowicie zebrać kompletną informację o prędkości i pozycji fotonów. Zasada nieoznaczoności Heisenberga wciąż obowiązuje, jednak nie jest już tak restrykcyjna jak poprzednio. Uczeni użyli mocno chłodzonej kwantowej kropki z arsenku indowo-galowego do uwalniania pojedynczych fotonów. Potwierdzono, co wykazano już w 1909 roku, że pomiędzy wysyłanymi w ten sposób pojedynczymi fotonami wciąż zachodzi interferencja i na fotodetektorze otrzymujemy taki obraz, jakbyśmy mieli do czynienia z całą falą cząstek. Oczywiście próba prostego zmierzenia drogi każdego fotonu pomiędzy kropką a fotodetektorem skazana byłaby na niepowodzenie z powodu zasady nieoznaczoności Heisenberga. Aby dokładnie zbadać drogę fotonów bez niszczenia całego systemu Sacha Kocsis, Boris Braverman z University of Toronto oraz Sylvain Ravets z Université Paris-Sud Campus Polytechnique postawili na ich drodze cienki kryształ zawierający kalcyt. Ma on tę szczególną właściwość, że potrafi odwrócić polaryzację fotonu w zależności od tego, z którego kierunku foton się pojawił. Tymczasem soczewki fotodetektora zostały ustawione tak, by ich ogniskowa skupiała się na różnych miejscach w przestrzeni. Dzięki temu uczeni wiedzieli, jak daleko znajduje się foton, zatem mogli poznać jego pozycję, a polaryzacja fotonu dostarczała im informacje o oryginalnym kierunku, w którym wędrował, co w przybliżeniu pozwoliło poznać prędkość. Jeśli taki eksperyment powtórzymy tysiące razy, badając wszelkie możliwe punkty w przestrzeni pomiędzy kropką kwantową a fotodetektorem, oraz wszelkie możliwe polaryzacje fotonu w każdym z tych punktów, to odpowiednia analiza statystyczna pozwoli na poznanie dokładniej drogi, którą poruszał się foton. Znajomość trajektorii cząsteczek to jedno z głównych założeń teorii de Broglie-Bohma. Generalnie, jak zauważa profesor Aephraim Steinberg z University of Toronto teoria de Broglie-Bohma daje te same wyniki co mechanika kwantowa. Z kolei profesor Howard Wiseman z australijskiego Griffith University dodaje, że alternatywne rozumienie zachodzących zjawisk jest ważne, gdyż bohmiańska interpretacja ma również znaczenie praktyczne. Daje nam bowiem narzędzia do opracowania sposobów badań dynamiki molekularnej, które jest bardzo trudno przeprowadzić bez pewnych przybliżeń. Dla profesora matematyki Sheldona Goldsteina z Rutgers University najważniejszym aspektem tego eksperymentu jest przybliżenie teorii de Broglie-Bohma do naukowego mainstreamu, gdzie nie cieszy się ona zbytnim poważaniem. Teoria ta nie stoi w sprzeczności z żadnymi eksperymentalnie potwierdzonymi faktami. Stoi natomiast w sprzeczności z pewnymi przewidywaniami - mówi Goldstein. A Wiseman dodaje: Teoria ta twierdzi, że takie trajektorie istnieją. Dla niektórych naukowców eksperyment ten będzie zatem jedynie miłym potwierdzeniem teorii, której nie odrzucają. Dla wielu jednak jego wyniki będą szokujące.

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.