24.11.2017
PL EN
03.03.2017 aktualizacja 03.03.2017

Kwantowe splątanie pomiędzy bilionem atomów a pojedynczym fotonem

Fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego wytworzyli wielowymiarowy stan splątany pomiędzy zbiorem atomów a pojedynczym fotonem. Splątanie udało się przechować przez rekordowy czas kilku mikrosekund. To nowa odsłona słynnego paradoksu Einsteina-Podolskiego-Rosena.

W Laboratorium Pamięci Kwantowych (Wydział Fizyki UW) udało się wytworzyć splątanie pomiędzy obiektem makroskopowym – grupą ok. biliona atomów rubidu - to gaz umieszczony w szklanym cylindrze o długości 10 cm i średnicy 2,5 cm, a elementarną cząstką światła – pojedynczym fotonem. O badaniach - opublikowanych w czasopiśmie "Optica" poinformowano w przesłanym PAP komunikacie FUW.

Jeden z autorów artykułu, doktorant Michał Dąbrowski powiedział w rozmowie z PAP, że cylinder z gazem oświetla się wiązką lasera o odpowiednio dobranych parametrach. W wyniku tego działania z gazu emitowany jest - mówiąc w uproszczeniu - jeden foton splątany z używanymi w eksperymencie atomami rubidu. Wykonuje się wtedy pomiar położenia tej cząstki światła. To daje pewną wypadkową informację o zawartych w cylindrze atomach rubidu. A z kolei atomy rubidu przechowują przez pewien czas - w tym eksperymencie długo - nawet przez kilka mikrosekund - informację o tym wyemitowanym fotonie. Kiedy ponownie zaświeci się na gaz laserem, wyemitowany zostanie drugi foton. I wtedy mierzy się nie jego położenie, ale np. kierunek równoważny pomiarowi jego pędu. Ten sprytny sposób pozwala uzyskać informację o wypadkowym położeniu biliona atomów rubidu i ich pędzie.

Wyniki eksperymentu potwierdzają, że atomy i pojedynczy foton są wspólnie w stanie splątanym. "Atomy przechowują informacje o fotonie pod postacią tzw. fali spinowej, czyli fali obejmującej wszystkie bilion atomów w komórce” – mówił doktorant Michał Parniak, również biorący udział w badaniach.

Eksperyment przeprowadzony przez grupę z Uniwersytetu Warszawskiego jest wyjątkowy pod jeszcze jednym względem. Stworzona przez badaczy pamięć kwantowa pozwala przechowywać do 12 fotonów w postaci fal spinowych jednocześnie. Tak znaczna pojemność pamięci stwarza szansę na zastosowanie w dziedzinie kwantowego przetwarzania informacji. „Wielowymiarowe splątanie, którym dysponujemy, jest przechowywane w naszym układzie przez kilka mikrosekund. Jest to ponad tysiąc razy dłużej niż dotychczas raportowane w literaturze czasy, a tym samym wystarczająco długo, aby mieć możliwość dokonywania manipulacji na atomach podczas procesu przechowywania” – opowiada kierownik Laboratorium Pamięci Kwantowych FUW dr hab. Wojciech Wasilewski.

Przestrzenno-pędowy stopień splątania, zademonstrowany w prestiżowym czasopiśmie "Optica", może być z powodzeniem połączony z czasowym lub polaryzacyjnym stopniem swobody, umożliwiając generację tzw. hipersplątania. Przeprowadzone badania mogą posłużyć do testowania podstaw mechaniki kwantowej. Badania zrealizowane dzięki grantom PRELUDIUM NCN oraz Diamentowy Grant MNiSW.

„W naszym eksperymencie demonstrujemy pozorny paradoks w wersji, w jakiej został oryginalnie opisany w pracy Einsteina i współpracowników z 1935 roku. Dodajemy jednak etap, w którym foton przechowywany jest w atomowej pamięci kwantowej" - mówi Parniak.

W swojej słynnej pracy z 1935 r., Albert Einstein, B. Podolsky i N. Rosen rozważali rozpad cząstki na dwie części, np. produkty promieniotwórczego rozpadu jądra atomowego. W tym eksperymencie myślowym kierunki lotu produktów rozpadu, a właściwie ich pędy, okazywały się być zawsze dokładnie przeciwne. Z punktu widzenia fizyki klasycznej nie byłoby w tym nic dziwnego, lecz stosując zasady powstałej w latach 20. teorii kwantowej, Einstein i współpracownicy szybko doszli do paradoksu. Paradoks ten opiera się o tzw. zasadę nieoznaczoności Heisenberga, która zabrania zmierzenia jednocześnie położenia i pędu cząstki z nieograniczoną dokładnością. W eksperymencie myślowym Einsteina możemy jednak zmierzyć pęd jednej cząstki, poznając tym samym dokładnie przeciwny pęd drugiej z cząstek. Kiedy zmierzymy położenie tej drugiej cząstki, poznamy jednocześnie, a zarazem bardzo precyzyjnie, jej położenie i pęd, łamiąc tym samym zasadę nieoznaczoności Heisenberga.

Dziś wiemy jednak, że powyżej opisany eksperyment wcale nie jest, jak kiedyś sądzono, paradoksalny. Błędem Einsteina i współpracowników było stosowanie zasady nieoznaczoności do układu dwóch cząstek. Kiedy potraktować dwie cząstki jako całość, okazuje się, że zasada nieoznaczoności w swojej pierwotnej formie przestaje obowiązywać, w szczególności dla pary cząstek znajdujących się w stanie splątanym.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ mrt/

Partners

Copyright © Fundacja PAP 2017