Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Kwantowa nielokalność w zimnych gazach atomowych

Recommended Posts

Nielokalność, czyli „upiorne działanie na odległość” Alberta Einsteina, udało się już zaobserwować między obiektami kwantowymi oddalonymi nawet o ponad kilometr. Postęp nie powinien zaskakiwać: poszukiwania układów, w których można dostrzec ślady nielokalności, nabrały w ostatnich latach rozpędu. Kolejnym krokiem ku lepszemu poznaniu nielokalności jest publikacja naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW), zamieszczona w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

Przedstawiono tu kompletny opis teoretyczny zjawiska nielokalności w wielociałowym układzie kwantowym: kondensacie Bosego-Einsteina. Szczególnie istotnym elementem publikacji jest opisana krok po kroku procedura wykrywania nielokalności. Ponieważ wszystkie etapy procedury są osiągalne za pomocą współczesnych technik doświadczalnych, zaobserwowanie tego subtelnego nieklasycznego zjawiska w układzie wielociałowym wkrótce powinno stać się faktem.

Mechanika kwantowa to teoria sformułowana w pierwszej połowie XX wieku. Jej przewidywania potwierdzono w licznych doświadczeniach, a zastosowania rozciągają się od procesorów komputerowych po lasery medyczne.

Teoria kwantów jest powszechnie uznana, lecz jej niektóre aspekty wciąż budzą kontrowersje. Na przykład superpozycja, czyli taki opis układu, jakby znajdował się on w wielu miejscach naraz. Superpozycja nie ma odpowiednika w świecie klasycznym, przysparza też dużo trudności interpretacyjnych. Splątanie – czyli kwantowa korelacja między obiektami fizycznymi – to kolejne zjawisko, którego nie sposób sprowadzić do doświadczeń życia codziennego, tłumaczy dr hab. Jan Chwedeńczuk (FUW).

Dla wielu badaczy najistotniejszym aspektem mechaniki kwantowej, z punktu widzenia filozoficznego i poznawczego, jest jej nielokalność. Przywykliśmy, że zachowanie obiektów fizycznych wynika z tego, co się dzieje wokół nich i raczej nie dopuszczamy myśli, że jakieś zdarzenie z odległej galaktyki może nieskończenie szybko wpłynąć na to, co się dzieje na naszej planecie. Tymczasem teoria kwantów dopuszcza, żeby zjawiska zachodzące w jednym miejscu miały wpływ na to, co się dzieje w innym.

Wyobraźmy sobie parę butów, dwa pudełka i maszynę decydującą w sposób przypadkowy, do którego pudełka trafi który but. Po losowaniu i podziale, jedno pudełko wysyłamy na Marsa, drugie pozostawiamy na Ziemi. Jeszcze zanim sprawdzimy, który but znajduje się w pudełku na Ziemi, możemy powiedzieć, że jeśli na Ziemi jest but lewy, to na Marsie jest już prawy – bądź na odwrót. W świecie opisywanym prawami klasycznej fizyki układ jest określony już w momencie losowania i podziału. W kwantowej rzeczywistości układ opisujemy inaczej, jakby przed zajrzeniem do pudełka obie możliwości współbytowały. Co więcej, to co będziemy robić z jednym z pudełek przed pomiarem będzie miało wpływ na stan drugiego, niezależnie od tego, jak bardzo oba pudełka są od siebie odległe. Mówimy zatem, że mechanika kwantowa jest teorią nielokalną. Zgodnie z takim opisem na Ziemi i Marsie znajdują się buty „lewoprawe”. Dopiero gdy zajrzymy do jednego pudełka, stan butów zostanie określony, przy czym w drugim pudełku „upiornie” pojawi się but dopełniający do znalezionego w pierwszym.

Powyższy przykład jest wyłącznie obrazową ilustracją. W rzeczywistości tak subtelnych zjawisk kwantowych nie obserwujemy w dużej skali. Można je dostrzec wyłącznie w skali atomowej. Niemniej sama możliwość „sterowania” jednego układu drugim, bez żadnego bezpośredniego oddziaływania, skłoniła Einsteina i jego współpracowników, do napisania artykułu, którego sugestywny tytuł brzmi: „Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?” („Czy kwantowy opis fizycznej realności można uznać za kompletny?”).

Niecałe 30 lat po publikacji o „upiornym działaniu” północnoirlandzki teoretyk John Bell wykazał, że istotnie przewidywania teorii kwantów stoją w sprzeczności z postulatami „lokalnego realizmu” zakładającego, że ciała mają określone obiektywne własności (co świadczy o realizmie), a na ich zachowanie wpływa tylko to, co się dzieje w ich bezpośrednim otoczeniu (co świadczy o lokalności). Bell podał przepis na wykrywanie nielokalności prostych układów fizycznych. Metoda jest dziś znana jako nierówności Bella.

W swojej najnowszej publikacji dr Tomasz Wasak i dr hab. Jan Chwedeńczuk opisali znacznie bardziej złożony wielociałowy układ kwantowy, w którym można badać nielokalność za pomocą specjalnie skonstruowanych dla tego układu nierówności Bella. Układ ten składa się z bardzo zimnego gazu atomów helu oświetlonego dwiema przeciwbieżnymi wiązkami światła laserowego, tworzącymi biegnącą falę. Atomy helu zderzają się i wylatują w przeciwnych kierunkach, wyznaczonych przez lasery.

„Rozproszone atomy są odpowiednikami pary butów. Analogicznie do przedstawionego przed chwilą przykładu z butami, można na nich wykonywać lokalne operacje i pomiary, by wykryć – poprzez łamanie stosownej nierówności Bella – nielokalność układu kwantowego”, mówi dr hab. J. Chwedeńczuk.

Badania warszawskich teoretyków sfinansowano z grantów Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Narodowego Centrum Nauki.

Fizyka i astronomia na Uniwersytecie Warszawskim pojawiły się w 1816 roku w ramach ówczesnego Wydziału Filozofii. W roku 1825 powstało Obserwatorium Astronomiczne. Obecnie w skład Wydziału Fizyki UW wchodzą Instytuty: Fizyki Doświadczalnej, Fizyki Teoretycznej, Geofizyki, Katedra Metod Matematycznych oraz Obserwatorium Astronomiczne. Badania pokrywają niemal wszystkie dziedziny współczesnej fizyki, w skalach od kwantowej do kosmologicznej. Kadra naukowo-dydaktyczna Wydziału składa się z ok. 200 nauczycieli akademickich, wśród których jest 88 pracowników z tytułem profesora. Na Wydziale Fizyki UW studiuje ok. 1000 studentów i ponad 170 doktorantów.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na fińskim Aalto University uzyskano kondensat Bosego-Einsteina stworzony ze światła i plazmonów powierzchniowych. Ich wzajemne oddziaływanie tworzy polarytony plazmonów powierzchniowych.
      Przed niemal stu laty Einstein i Bose przewidzieli, że prawa mechaniki kwantowej mogą spowodować, iż duże grupy cząstek mogą zachowywać się tak, jakby były jedną cząstką. Zjawisko to nazwano kondensacją Bosego-Einsteina. Pierwszy kondensat tego typu udało się uzyskać dopiero w 1995 roku.
      Kondensaty uzyskiwano już wielokrotnie i w różnych konfiguracjach, jednak naukowcy ciągle nad nimi pracują. Chcą bowiem uzyskiwać je szybciej, w wyższych temperaturach i mniejszej skali. Mają bowiem nadzieję na praktyczne ich wykorzystanie. Z kondensatu Bosego-Einsteina można by stworzyć ekstremalnie małe źródło światła, które niezwykle szybko będzie przetwarzało dane.
      Fińscy uczeni poinformowali o stworzeniu kondensatu Bosego-Einsteina ze światła i elektronów poruszających się na powierzchni złotych nanopręcików. W przeciwieństwie do większości wcześniej uzyskiwanych kondensatów ten z Aalto, jako że złożony jest głównie ze światła, pojawia się w temperaturze pokojowej, nie trzeba całości schładzać do temperatur bliskich zera absolutnego.
      Korzystając ze współczesnych metod produkcyjnych jesteśmy w stanie w łatwy sposób uzyskać macierz z nanopręcików. W ich pobliżu można skupiać światło na bardzo małych powierzchniach, mniejszych nawet od długości fali światła w próżni. Te właściwości dają nam interesujące perspektywy dla przyszłych badań i zastosowań praktycznych nowego kondensatu, mówi profesor Päivi Törmä.
      Głównym problemem związanym z nowym rodzajem kondensatu jest fakt, że błyskawicznie się on pojawia i znika. Z naszych wyliczeń wynika, że czas jego życia jest liczony w pikosekundach, wyjaśnia doktorant Antti Moilanen. Naukowcy musieli więc wymyślić sposób na udowodnienie istnienia czegoś, co znika po bilionowych części sekundy. Wpadli na pomysł, by zmusić kondensat do poruszania się. Kondensat powoduje, że złote nanopręciki emitują światło. Obserwując to światło możemy badać zmiany kondensatu w czasie, dodaje Tommi Hakala. Emitowane światło jest podobne do światła laserowego. Możemy zmieniać odległości pomiędzy nanopręcikami, co pozwala nam na zdecydowanie, czy mamy do czynienia z kondensacją Bosego-Einsteina czy z pojawieniem się zwykłego światła laserowego. To są dwa bardzo zbliżone zjawiska fizyczne, a kluczowym jest możliwość odróżnienia ich od siebie. Oba nadają się też do odmiennych zastosowań, mówi profesor Törmä.
      Światło laserowe i kondensacja Bosego-Einsteina dają jasne promienie, jednak koherencje światła mają różne właściwości. To zaś wpływa na sposób, w jaki można manipulować światłem w zależności od wymaganych zastosowań. Kondensat pozwala na uzyskiwanie niezwykle krótkich impulsów światła, które mogą zostać wykorzystane do szybkiego przekazywania i przetwarzania informacji.

      « powrót do artykułu
×
×
  • Create New...