Wydział Fizyki UW: kwantowa nielokalność w zimnych gazach atomowych

Choć teoria kwantowa jest dzisiaj powszechnie uznana, a jej przewidywania potwierdzono w licznych eksperymentach - to niektóre jej aspekty wciąż budzą kontrowersje. Przykładem tego jest superpozycja, czyli taki opis układu, jakby znajdował się on w wielu miejscach równocześnie.

"Superpozycja nie ma odpowiednika w świecie klasycznym, przysparza też dużo trudności interpretacyjnych" - tłumaczy dr hab. Jan Chwedeńczuk z Wydziału Fizyki UW (FUW) w przesłanym PAP komunikacie prasowym. "Splątanie – czyli kwantowa korelacja między obiektami fizycznymi – to kolejne zjawisko, którego nie sposób sprowadzić do doświadczeń życia codziennego" - dodaje.

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.

Poszukiwania układów, w których można dostrzec ślady nielokalności, nabrały w ostatnich latach rozpędu. Nielokalność udało się już zaobserwować między obiektami kwantowymi oddalonymi nawet o ponad kilometr. Kolejnym krokiem ku lepszemu poznaniu tego zjawiska jest publikacja naukowców z FUW, zamieszczona w czasopiśmie "Physical Review Letters" (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.140406). Przedstawili oni w niej kompletny opis teoretyczny zjawiska nielokalności w wielociałowym układzie kwantowym: kondensacie Bosego-Einsteina.

O co jednak z nielokalnością chodzi? 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.

Oczywiście, przykładu tego nie należy traktować dosłownie. 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 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" - tłumaczy dr hab. Chwedeńczuk. "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" - podsumowuje naukowiec.

Jak podkreśla FUW, ponieważ wszystkie etapy przedstawionej w artykule procedury są osiągalne za pomocą współczesnych technik doświadczalnych, zaobserwowanie tego subtelnego nieklasycznego zjawiska w układzie wielociałowym wkrótce powinno stać się faktem.

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ ekr/