Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Splątanie czy kwantowa interferencja? – oto jest pytanie o fundament kwantowej rzeczywistości!

Recommended Posts

Za pomocą prostych teoretycznych modeli można budować układy działające ściśle według reguł klasycznej fizyki, a mimo to wiernie odtwarzające przewidywania mechaniki kwantowej dla pojedynczych cząstek – nawet te najbardziej paradoksalne! Co zatem jest prawdziwą oznaką kwantowości?

Świat kwantów jest pełen paradoksów niepojętych dla ludzkiej intuicji i niewytłumaczalnych dla klasycznej fizyki. Tezę tę można usłyszeć niemal zawsze, gdy mowa o mechanice kwantowej. Oto kilka przykładów zjawisk powszechne uznawanych za typowo kwantowe: pojedynczy elektron generujący prążki interferencyjne za dwiema szczelinami, jakby przechodził przez obie jednocześnie; cząstki przebywające w tym samym czasie w wielu różnych stanach, by w chwili obserwacji "magicznie" pojawić się w jednym wybranym; pomiary bez oddziaływania; wymazywanie przeszłości za pomocą kwantowej gumki czy wreszcie nielokalność, sprawiająca wrażenie, jakby splątane cząstki natychmiastowo oddziaływały na dowolnie duży dystans. Tylko czy wszystkie te zjawiska koniecznie muszą być czysto kwantowe?

We właśnie opublikowanym artykule dr hab. Paweł Błasiak z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie pokazał, jak z "cegiełek" klasycznej fizyki konstruować szeroko pojęte optyczne układy interferometryczne, wiernie odtwarzające najdziwniejsze przewidywania mechaniki kwantowej w odniesieniu do pojedynczych cząstek. Zaprezentowany model pomaga lepiej zrozumieć, dlaczego mechanika kwantowa jest potrzebna oraz co naprawdę nowego mówi o otaczającej nas rzeczywistości. Jeśli bowiem jakiś efekt kwantowy ma proste klasyczne wytłumaczenie, nie należy upatrywać w nim specjalnej tajemnicy. Publikacja jasno wskazuje granicę, poza którą teoria kwantów jest już niezbędna: prawdziwa kwantowa "magia" zaczyna się dopiero dla wielu cząstek.

Kontrowersji wokół mechaniki kwantowej jest naprawdę sporo. Są one tak silne, że nawet dziś, gdy teoria ta liczy sobie już niemal sto lat, większość fizyków woli ją po prostu używać, unikając niewygodnych pytań o interpretację - mówi dr Paweł Błasiak i dodaje: Nasze problemy wynikają tu z faktu, że... byliśmy zbyt zdeterminowani. Wcześniej najpierw obserwowaliśmy pewne zjawiska i żeby je tłumaczyć, budowaliśmy aparat matematyczny na bazie dobrze ugruntowanych fizycznych intuicji. W przypadku mechaniki kwantowej zdarzyła się rzecz odwrotna: z zaledwie paru poszlak eksperymentalnych odgadliśmy wysoce abstrakcyjny, matematyczny formalizm, świetnie opisujący wyniki pomiarów w laboratorium, ale najmniejszego pojęcia nie mamy, czym jest kryjąca się za nim fizyczna rzeczywistość.

Richard Feynman, znakomity fizyk amerykański, był głęboko przekonany, że zjawiskiem absolutnie niemożliwym do wyjaśnienia przez fizykę klasyczną jest kwantowa interferencja, odpowiedzialna między innymi za prążki widoczne za dwiema szczelinami, przez które przechodzi pojedynczy obiekt kwantowy. Erwin Schrödinger, współtwórca mechaniki kwantowej, miał innego faworyta: splątanie kwantowe, mogące na odległość wiązać cechy dwóch i więcej cząstek kwantowych. Spore grono fizyków do dziś się zastanawia, do jakiego stopnia te nieintuicyjne zjawiska mechaniki kwantowej są jedynie wynikiem naszych ograniczeń poznawczych, czyli sposobów, w jaki badamy świat. To nie przyroda, lecz nasz brak pełnej wiedzy o układzie miałby powodować, że obserwowane w nim zjawiska nabierałyby cech niewytłumaczalnej egzotyki. Tego typu podejście to próba spojrzenia na mechanikę kwantową jako teorię z dobrze określoną ontologią, prowadząca ku odpowiedzi na pytanie, co tak naprawdę odróżnia teorię kwantów od teorii klasycznych.

W artykule na łamach czasopisma Physical Review A zademonstrowano zasady budowy modeli dowolnie skomplikowanych układów optycznych, skonstruowanych z elementów pracujących wedle zasad klasycznej fizyki, dodatkowo uwzględniając istnienie pewnych lokalnych zmiennych ukrytych, do których eksperymentator ma jedynie pośredni dostęp. Dr Błasiak wykazał, że dla pojedynczych cząstek przedstawiony model wiernie odtwarza wszystkie zjawiska powszechnie uznawane za ewidentną oznakę kwantowości, w tym kolaps funkcji falowej, interferencję kwantową czy kontekstualność. Co więcej, klasyczne analogie tych zjawisk okazują się całkiem proste. Model ten nie może jednak odtworzyć charakterystycznych cech splątania kwantowego, którego zaistnienie wymaga co najmniej dwóch cząstek kwantowych. Zdaje się to wskazywać, że splątanie oraz związana z nią nielokalność mogą być bardziej fundamentalną własnością świata kwantów niż kwantowa interferencja.

Tego typu podejście pozwala unikać fatalnej praktyki polegającej na wymijających odpowiedziach i machaniu rękami w dyskusjach o podstawach oraz interpretacji mechaniki kwantowej. Mamy narzędzia, aby takie pytania formułować i precyzyjnie rozstrzygać. Skonstruowany model ma na celu pokazać, że modele ontologiczne z ograniczonym dostępem do informacji mają przynajmniej potencjalną możliwość wyjaśnienia większości egzotycznych zjawisk kwantowych w ramach szeroko pojętej fizyki klasycznej. Prawdziwą kwantową tajemnicą pozostawałoby jedynie kwantowe splątanie - wyjaśnia dr Błasiak.

Splątanie kwantowe trafia zatem w samo sedno mechaniki kwantowej, wskazując na to "coś", co wymusza odejście od klasycznie rozumianej rzeczywistości i przesuwa granicę tajemniczości w kierunku zjawisk wielocząstkowych. Okazuje się bowiem, że efekty kwantowe dla pojedynczych cząstek mogą być z powodzeniem odtwarzane w ramach klasycznych (tzn. lokalnych) modeli ontologicznych z ograniczonym dostępem do informacji. Gdyby więc pominąć zjawiska wielocząstkowe, moglibyśmy w zasadzie obejść się bez mechaniki kwantowej i jej "upiornej" nielokalności. Opisany lokalny model, odtwarzający kwantowe zjawiska dla pojedynczej cząstki, bardzo wyraźnie definiuje granicę, poza którą stwierdzenia dotyczące nielokalności tracą swoją zasadność.

Zatem Feynman czy Schrödinger? Wydaje się, że to jednak Schrödinger trafił w samo serce mechaniki kwantowej. Ale cichym zwycięzcą może być... Albert Einstein, który nigdy nie był zadowolony z powszechnie obowiązującej interpretacji mechaniki kwantowej. Bez jego uporczywych pytań nie mielibyśmy dziś ani twierdzenia Bella, ani kwantowej informacji.

Dlatego właśnie badania w dziedzinie podstaw mechaniki kwantowej są tak fascynujące. Rozciągają się one od wciąż powracającego pytania o naturę naszej rzeczywistości, po istotę prawdziwej kwantowości, której zawdzięczamy przewagę technologii kwantowych nad ich klasycznymi odpowiednikami - podsumowuje z uśmiechem dr Błasiak.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Z Pawłem organizowaliśmy seminarium z podstaw mechaniki kwantowej (może będzie kontynuacja) - są slajdy też do tej tej pracy: http://th.if.uj.edu.pl/~dudaj/OPMK.pdf

Jak pisze, dla jednej cząstki wszystko można lokalnie wytłumaczyć, ale dla wielu jest problem splątania. Szczególnie polecam przemyśleć algorytm Shora - w którym rozgałęziamy obliczenia, wejście problemu podajemy na jednej gałęzi, natomiast wynik odczytujemy z drugiej gałęzi: https://physics.stackexchange.com/questions/369590/shors-algorithm-why-doesnt-the-final-collapse-of-the-auxiliary-qubits-crippl

Problemy znikają jeśli lokalność potraktować czterowymiarowo: rozważyć trajektorię jako podstawowy obiekt np. do zespołów statystycznych: https://arxiv.org/pdf/0910.2724

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

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) we współpracy z uczonymi z Uniwersytetu Wiedeńskiego po raz pierwszy w historii schłodzili za pomocą lasera miniaturowy obiekt mechaniczny do najniższego możliwego stanu energetycznego. Osiągnięcie to umożliwi przeprowadzenie w przyszłości eksperymentów, które dotychczas nie były możliwe.
      Użyliśmy światła do wprowadzenia masywnego systemu mechanicznego - składającego się z miliardów atomów- w stan, w którym zachowuje się on zgodnie z prawami mechaniki kwantowej. W przeszłości można było tego dokonać tylko w przypadku pojedynczych jonów i atomów schwytanych w pułapki - powiedział główny autor badań, profesor Oskar Painter.
      Uczony i jego zespół najpierw stworzyli bardzo precyzyjną krzemową belkę o długości liczonej w mikrometrach i dobrali częstotliwość światła laserowego tak, by mogło ono dotrzeć do systemu i, po odbiciu, odebrać zeń energię cieplną. Dzięki niezwykłej precyzji wykonania każdego elementu oraz osłony izolującej całość od wpływów środowiska doprowadzili system do stanu podstawowego, w którym drgania mechaniczne są zredukowane do absolutnego minimum. W takim stanie można wykryć bardzo niewielkie siły i masy oddziałujące na system. Zwykle ich obecność jest maskowana drganiami.
      Nasz eksperyment otwiera drogę do przeprowadzenia bardzo interesujących badań z zakresu mechaniki kwantowej - stwierdził profesor Painter. Pozwoli to np. na sprawdzenie czy systemy mechaniczne mogą zostać wprowadzone w stan splątania kwantowego.
      Aby osiągnąć stan podstawowy, konieczne było schłodzenie belki do temperatury poniżej 100 milikelwinów. Dopiero wówczas udałoby się usunąć „szum" w postaci fononów, które w olbrzymiej ilości są tworzone w temperaturze pokojowej.
      Tradycyjne metody kriogeniczne mogły się nie sprawdzić, gdyż po pierwsze wymagają użycia bardzo drogiego sprzętu, a po drugie, nie można ich zastosować w każdym przypadku.
      Postanowiliśmy użyć fotonów do usunięcia fononów z systemu - powiedział Jasper Chan, jeden z naukowców biorących udział w eksperymencie. Uczeni wywiercili w krzemowej belce otwory, które po potraktowaniu światłem o określonej długości fali, zadziałały jak pułapki, w które złapało się światło. Doszło wówczas do silnej interakcji światła z drganiami mechanicznymi.
      Jako, że przesunięcie w częstotliwości światła jest wprost związane z ruchem termicznym obiektu, to światło, gdy już wydostanie się z pułapki, zabiera ze sobą takie informacje o systemie mechanicznym jak np. ruch i temperatura. W ten sposób powstał przetwornik optomechaniczny, który zamieniał informacje o systemie mechanicznym w światło.
      Taki przetwornik może zostać wykorzystany do łączenia różnych systemów kwantowych.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z Narodowych Instytutów Standardów i Technologii (NIST) jako pierwsi w historii doprowadzili do splątania dwóch jonów za pomocą mikrofal. Dotychczas w tym celu wykorzystywano lasery.
      Prace te pokazują, że w przyszłości możliwe będzie zastąpienie wielkich systemów laserowych niewielkimi źródłami mikrofal, takimi jak np. wykorzystywane w telefonach komórkowych.
      Mikrofale już wcześniej były używane do manipulowania jonami, jednak teraz, dzięki umieszczeniu źródła ich emisji bardzo blisko jonów, w odległości zaledwie 30 mikrometrów, udało się uzyskać splątanie atomów. Możliwość splątywania cząsteczek to jeden z podstawowych warunków transportu informacji i korekcji błędów w przyszłych komputerach kwantowych.
      Podczas swoich prac naukowcy wykorzystali źródło mikrofal umieszczone w układzie scalonym zintegrowane z pułapką jonową oraz stołowy zestaw laserów, luster i soczewek. Zestaw ten jest dziesięciokrotnie mniejszy niż dotychczas wykorzystywane. Użycie ultrafioletowego lasera o niskiej mocy wciąż jest koniecznością, gdyż za jego pomocą chłodzi się jony i obserwuje wyniki badań. Jednak w przyszłości cały zespół lasera można będzie zminiaturyzować do rozmiarów laserów używanych np. w odtwarzaczach DVD.
      Możliwe, że średniej wielkości komputer kwantowy będzie przypominał telefon komórkowy połączony z urządzeniem podobnym do laserowego wskaźnika, a zaawansowane maszyny będą wielkości współczesnego peceta - mówi fizyk Dietrich Leibfried, współautor badań. Chociaż kwantowe komputery raczej nie będą urządzeniami, które każdy będzie chciał nosić przy sobie, to będą mogły używać elektroniki podobnej do tej, jaka jest obecnie wykorzystywana w smartfonach do generowania mikrofal. Podzespoły takie są dobrze znane i już obecne na rynku. Taka perspektywa bardzo nas ekscytuje - dodaje uczony.
      W czasie eksperymentów dwa jony zostały złapane w elektromagnetyczną pułapkę. Nad pułapką znajdował się układ scalony zawierający elektrody z azotku glinu pokrytego złotem. Elektrody były aktywowane, by wywołać impulsy promieniowania mikrofalowego oscylujące wokół jonów. Ich częstotliwość wahała się od 1 do 2 gigaherców. Mikrofale doprowadziły do powstania pola magnetycznego, które z kolei wywołało rotację spinów. Jeśli moc takiego pola magnetycznego jest w odpowiedni sposób zwiększana, można doprowadzić do splątania jonów. Metodą prób i błędów, wykorzystując przy tym zestaw trzech elektrod, udało się uczonym odnaleźć właściwy sposób manipulowania polem magnetycznym i doprowadzić do splątania.
      Wykorzystanie mikrofal w miejsce laserów ma i tę zaletę, że zmniejsza liczbę błędów, które są powodowane niestabilnościami w promieniu lasera oraz zapobiega pojawieniu się w jonach spontanicznej emisji wywoływanej światłem laserowym. Jednak technika mikrofalowego splątania musi zostać jeszcze udoskonalona. Uczonym z NIST udało się uzyskać splątanie w 76% przypadków. Tymczasem za pomocą lasera uzyskuje się wynik rzędu 99,3 procenta.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Uzyskanie fotonowych "trojaczków" to duży przełom na polu optyki kwantowej, który wpłynie też na prace nad komputerami kwantowymi.
      W przeszłości uzyskanie par fotonów zrewolucjonizowało optykę kwantową i umożliwiło postanie kwantowej kryptografii oraz dało nadzieję na zaprzęgnięcie fotonów do obliczeń.
      Teraz Thomas Jennewein, Hannes Hubel, Deny Hamel, Kevin Resch z kanadyjskiego University of Waterloo, Alessandro Fedrizzi z University of Queensland w Australii oraz Sven Ramelow z Austriackiej Akademii Nauk uzyskali trzy powiązane ze sobą fotony. 
      Pary fotonów otrzymuje się po przepuszczeniu silnego światła laserowego przez kryształ. Foton padający na kryształ zostaje przekształcony w splecioną parę fotonów. Obecnie naukowcy dodali kolejny etap, przepuszczając jeden z fotonów przez kolejny kryształ, uzyskując dodatkowy foton. W ten sposób powstały trzy fotony, które były ze sobą splątane, gdyż początek im dał ten sam foton.
      Najnowsze osiągnięcie naukowe umożliwi przeprowadzenie zupełnie nowych eksperymentów i pozwoli zbadać niedostępne dotychczas zjawiska kwantowe.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Joint Quantum Institute oraz University of Maryland stworzyli "kwantowe obrazki", pary bogatych w informacje wzorców, których właściwości były ze sobą splątane. To, co pozornie wygląda na zabawę, może w przyszłości posłużyć do przechowywania danych w kwantowych komputerach czy bezpiecznego przesyłania informacji. Obrazki tworzą identyczne pary i są ze sobą splątane. Oznacza to, że, mimo iż nie są ze sobą fizycznie połączone, każda zmiana w jednym z nich wywołuje identyczną zmianę w drugim.
      Obrazy zawsze były preferowaną metodą komunikacji, ponieważ niosą ze sobą olbrzymią ilość informacji. Dotychczas urządzenia bazujące na optycznych technologiach tworzenia obrazu (np. aparaty), pomijały dużą część użytecznych danych. Dzięki obrazom korzystającym z praw mechaniki kwantowej możemy stworzyć lepsze rozwiązania nie tylko w dziedzinie tworzenia obrazów trudnych do zobaczenia obiektów, ale także w obszarach dotyczących przechowywania danych w komputerach kwantowych przyszłości - mówi Vincent Boyer, jeden z autorów badań.
      Do stworzenia obrazów naukowcy użyli technologii mieszania czterofalowego. Powoduje ono, jak czytamy w opracowaniu Jana i Jakuba Lamperskich oraz Zbigniewa Szymańskiego z Politechniki Poznańskiej wzbogacenie się widma propagowanego sygnału o nowe składowe wynikające z odpowiednich spełniających zasadę zachowania energii, kombinacji sum i różnic pierwotnych częstotliwości.
      W swoim eksperymencie Amerykanie użyli dwóch wiązek światła. Jedna z nich, próbkująca, przeszła najpierw przez matrycę z przygotowanym wcześniej obrazem. Następnie została skierowana do komórki z atomami rubidu w stanie gazowym. Tam napotkała na silną "pompującą" wiązkę światła.
      Atomy gazu reagowały ze światłem, absorbując jego energię i emitując wzmocnioną wersję pierwotnego obrazu. Ponadto powstał też drugi, bliźniaczy obraz splątany z pierwszym i obrócony o 180 stopni. Różnił się też on nieco kolorem od oryginału. Każdy piksel w jednym obrazku, miał swojego odpowiednika w drugim. Piksele, które były ze sobą splątane, podlegały identycznym fluktuacjom. Innymi słowy, obserwując zmiany zachodzące z czasem w jednym z obrazków, można było powiedzieć, jak zmienił się drugi.
      Naukowców najbardziej zaskoczyło to, jak łatwo udało im się uzyskać kwantowe obrazki. Wcześniej uczeni musieli je składać foton po fotonie. Teraz mogą uzyskać je znacznie szybciej, łatwiej i taniej.
×
×
  • Create New...