Prof. RYSZARD TANAS jest fizykiem teoretykiem zajmujacym sie
optyka kwantowa, a ostatnio takÂże informatyka kwantowa

Jednym z najbardziej fascynujacych i tajemniczych
zjawisk w mechanice kwantowej jest zjawisko splatania
kwantowego. W sÂłynnej pracy z 1935 r. Einstein, Podolsky
i Rosen [1] starali sie wykazac, ze mechanika kwantowa
musi byc niekompletna, skoro przewiduje istnienie korelacji
kwantowych na duzych odlegÂłosciach. Dzisiaj mozemy
powiedziec, ze nie mieli racji, a korelacje kwantowe, ktĂłrych
istnienie kwestionowali, istnieja naprawde i sa potwierdzone
licznymi eksperymentami. Na to, by mĂłwic
o splataniu kwantowym, bo tak dzisiaj zwykle nazywamy
istnienie tych tajemniczych korelacji kwantowych, trzeba
ukÂładu kwantowego zÂłozonego z dwĂłch podukÂładĂłw. Znakomitym
przykÂładem takiego ukÂładu sa dwa atomy, ktĂłre
moga znalezc sie w stanie splatanym w wyniku sprzezenia
poprzez prĂłznie fotonowa. Sprzezenie takie prowadzi
do kolektywnego zachowania sie dwĂłch atomĂłw, objawiajacego
sie oddziaÂływaniem typu dipol–dipol miedzy
nimi oraz kolektywna emisja spontaniczna.
Jednym z najbardziej popularnych modeli optyki
kwantowej jest model a t omu dwu p o z i omowe g o.
W modelu tym przyjmujemy, ze atom jest ukÂładem
o dwĂłch tylko stanach kwantowych: stanie podstawowym
i stanie wzbudzonym. Jest to oczywiscie dosc drastyczne
uproszczenie opisu rzeczywistego atomu, ale w wielu sytuacjach
fizycznych atom dwupoziomowy jest bardzo dobrym
przyblizeniem, znakomicie oddajacym istote opisywanych
zjawisk fizycznych. Zaleta tego modelu jest to, ze
jest on wyjatkowo prosty i jego ewolucje potrafimy opisac
dosc dokÂładnie. Z dzisiejszego punktu widzenia taki ukÂład
dwustanowy to k u b i t, czyli bit kwantowy, reprezentujacy
jednostke kwantowej informacji. Natomiast dwa atomy to,
uzywajac terminologii informatyki kwantowej, dwukubitowy
rejestr kwantowy. Poznanie jego ewolucji jest sprawa
interesujaca.
Badania ewolucji ukÂładu dwĂłch atomĂłw dwupoziomowych
byÂły prowadzone w latach osiemdziesiatych
ubiegÂłego wieku (obszerny spis literatury mozna znalezc
w pracy przegladowej [2]). Znaczacy udziaÂł w nich mieli
Zbigniew Ficek oraz autor niniejszego artykuÂłu. Istotnym
elementem tych badan byÂł fakt, ze dwa atomy, ktĂłre znajduja
sie w odlegÂłosci mniejszej niz dÂługosc fali swiatÂła
emitowanego przez pojedynczy atom, zachowuja sie kolektywnie,
co oznacza, ze ewolucja ukÂładu dwĂłch atomĂłw
rĂłzni sie istotnie od ewolucji atomu pojedynczego. Atomy
przestaja byc niezalezne.

WiĂŞcej  znajdziesz w:
http://postepy.fuw.edu.pl/zjazdy/2005-Warszawa/PF-2006-3-Tanas.pdf

John Bell, amerykaùski informatyk kwantowy, wyjaœnia³ zjawisko spl¹tania kwantowego na przyk³adzie kolegi po fachu Reinholda Bertlmanna, który zas³yn¹³ tym, i¿ nosi³ skarpetki nie do pary. I kiedy zza rogu budynku wy³ania³a siê noga Bertlmanna w ró¿owej skarpetce, wiadomo ju¿ by³o, ¿e druga skarpetka z pewnoœci¹ ró¿owa nie jest. Analogia do paùskich fotonów trafna?

Bardzo. Bo czego dotyczy rzecz? Mianowicie tego, ¿e kiedy mamy obiekt z³o¿ony z wiêcej ni¿ jednej cz¹stki, na przyk³ad dwa fotony, to czasami mo¿e byÌ tak... jak to dobrze uj¹Ì... pomyœlmy przez chwilê...

Fizycy mĂłwiÂą na ogó³ o korelacjach kwantowych. I analogia do skarpetek jest o tyle dobra, Âże sÂą one skorelowane – bo jeÂśli jedna jest ró¿owa, to wiadomo, Âże druga juÂż taka nie bĂŞdzie. W tym przypadku to jest antykorelacja, ale to bez znaczenia, bo to teÂż korelacja, tyle Âże ujemna.

MoÂże inny przykÂład – wyobraÂźmy sobie, Âże mamy dubeltĂłwkĂŞ, ktĂłra siĂŞ nie do koĂąca udaÂła, bo kule poruszajÂą siĂŞ po torach ustawionych pod pewnym kÂątem w stosunku do siebie. I jest tylko jeden spust, czyli zawsze strzelamy dwoma pociskami rĂłwnoczeÂśnie. PoczyĂąmy jeszcze zaÂłoÂżenie, Âże kule majÂą ró¿ne kolory – biaÂły i czerwony. Otó¿ splÂątanie to jest taka sytuacja, w ktĂłrej naciskamy spust, ale nie wiemy, ktĂłra kula jest czerwona, a ktĂłra biaÂła, a potem dwĂłch obserwatorĂłw zbiera kule i okazuje siĂŞ, Âże kiedy jeden podnosi z ziemi jednÂą i jest ona czerwona, wiadomo, Âże druga kula z pewnoÂściÂą jest biaÂła. Ale zanim siĂŞ tego nie dowiedzÂą, kule sÂą i takie, i takie – Âłaciate. Nigdy nie wiadomo, jakiego koloru jest pojedyncza kula. Skarpetki sÂą w sumie podobne...

W³asnoœÌ ta ma rozleg³e implikacje filozoficzne. Tak g³êbokie, ¿e a¿ trudne do streszczenia. To równie¿ kolejny przyk³ad na to, ¿e ludzie nie zawsze chêtnie godz¹ siê z postêpem w nauce. I tak Albert Einstein nie potrafi³ pogodziÌ siê z faktem, i¿ uk³ady fizyczne mog¹ wystêpowaÌ w stanach spl¹tanych. Niestety, nigdy nie uda³o mu siê zaproponowaÌ innego, lepszego wyjaœnienia.

W powszechnym rozumieniu konsekwencjÂą splÂątania jest moÂżliwoœÌ przesÂłania informacji w sposĂłb natychmiastowy – nawet z jednego kraĂąca galaktyki na drugi.

Ale co znaczy przekazywanie informacji? To trzeba zdefiniowaĂŚ. Za³ó¿my, Âże jestem jednÂą z osĂłb, ktĂłre zbierajÂą kule z naszej specjalnej dubeltĂłwki. ZnalazÂłem czerwonÂą i w tej chwili wiem, Âże na drugim koĂącu galaktyki musi byĂŚ biaÂła. Wiem natychmiast. To jest ten paradoks – bo przecieÂż wiadomo skÂądinÂąd (mĂłwi o tym szczegĂłlna teoria wzglĂŞdnoÂści), Âże nic nie moÂże przemieszczaĂŚ siĂŞ szybciej niÂż ÂświatÂło. Tyle tylko, Âże jeÂżeli ja wiem, jak dziaÂła ukÂład, to nie ma mowy o przekazywaniu informacji. ByÂłem na to wczeÂśniej przygotowany, dlatego Âże znam zasadĂŞ dziaÂłania dubeltĂłwki.

Dlatego w³aœnie fizycy mówi¹ o korelacjach, czyli o tym, ¿e dwururka ma pewn¹ nietypow¹ w³asnoœÌ. I w tym sensie nie ma przekazywania informacji z szybkoœci¹ wiêksz¹ ni¿ prêdkoœÌ œwiat³a.

InformacjÂą jest wiedza o dubeltĂłwce?

Otó¿ to. A przynajmniej tak sobie tÂłumaczymy ten paradoks, z ktĂłrym jakoÂś trzeba ÂżyĂŚ. Bo jak do tej pory wierzymy, Âże obie teorie – mechanika kwantowa dopuszczajÂąca istnienie tych szczegĂłlnych korelacji i teoria wzglĂŞdnoÂści zabraniajÂącÂą zbyt szybkiego przesyÂłania informacji – sÂą poprawne. I trzeba szukaĂŚ wyjaÂśnieĂą, ktĂłre pogodzÂą obie te teorie.

Wiemy, jak zbudowaĂŚ takÂą dwururkĂŞ?

Na poziomie ukÂładĂłw kwantowych – owszem. WÂłaÂśnie takÂą mamy w Toruniu. Przy czym ona nie strzela kulami, ale wysyÂła fotony o ró¿nej polaryzacji. JeÂśli zÂłapiemy jeden foton i zbadamy jego stan, to wiemy, Âże drugi foton jest spolaryzowany inaczej.