W tajemniczym świecie kwantów

Spotkania fizyków-teoretyków z całego świata (w tym roku ok. 130 osób z 19 krajów) corocznie organizuje Instytut Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika. 

Od kilku lat tematem przewodnim toruńskich spotkań naukowców jest tzw. kwantowa teoria informacji, dziedzina fizyki wzbudzająca ostatnio szerokie zainteresowanie — nie tylko wśród fachowców — ze względu na jej zaskakujące, a często nawet sensacyjne odkrycia, które mogą okazać się przełomowe dla technologii informatycznych i telekomunikacyjnych. Tegoroczne spotkanie odbywa się pod hasłem „Kwantowe splątanie i jego geometria”.

Toruń, jako miejsce co roku skupiające wybitnych naukowców w dziedzinie kwantowej teorii informacji, nie jest przypadkowe. To tutaj właśnie już w latach 70-tych prowadzono prekursorskie, czysto teoretyczne badania nad zagadkowymi prawami przepływu informacji w świecie kwantów (patrz niżej). Jednym z laboratoriów przeprowadzających badania na światowym poziomie jest Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej — FAMO działające w Instytucie Fizyki UMK.

Teoria kwantowa - czy Einstein się mylił?

Siedemdziesiąt lat temu Albert Einstein i inni wielcy fizycy tamtej epoki wyrażali obawy co do sensowności młodej wówczas teorii kwantowej, wydawało się bowiem, że prowadzi ona do paradoksalnych konkluzji, niemożliwych do pogodzenia ze zdrowym rozsądkiem. Z upływem lat okazało się jednak, że w tym wypadku Einstein nie miał racji: skomplikowane doświadczenia potwierdziły słuszność założeń mechaniki kwantowej.

Paradoksy i problemy Bazyliszka

Problemy i paradoksy pojawiają się już na etapie fundamentalnych pojęć teorii, takich jak np. stan lub obserwacja w sensie kwantowym. Związane jest to z naturą kwantowych obiektów — atomów, elektronów, fotonów itp. Obserwator w świecie kwantowym jest bowiem jak baśniowy Bazyliszek: zaledwie patrząc na jakikolwiek przedmiot powoduje nieodwracalną destrukcję stanu, w jakim ten przedmiot jeszcze przed chwilą się znajdował. W naszym makroskopowym świecie sama obserwacja pojazdu w ruchu nie wpływa ani na jego prędkość, ani na położenie, a więc na jego stan. Gdyby jednak ten pojazd był cząstką kwantową, jego obserwacja byłaby możliwa jedynie poprzez ocenę skutków zderzenia go z innym pojazdem podobnej wielkości. Kwanty światła, które kierujemy na cząstkę by ją „zobaczyć”, zderzając się z nią, unicestwiają jej pierwotny stan.

Inną, paradoksalną z pozoru własnością obiektów kwantowych jest to, że mogą one przyjmować stany „pośrednie”, np. między dwiema ewentualnościami. Są to tak zwane koherentne superpozycje stanów. Powiedzmy, że w urnie znajduje się kula, o której wiadomo, że jest czarna lub biała. Jeśli po otwarciu urny okaże się, że kula jest biała, to zdrowy rozsądek podpowiada nam, że wcześniej w zamkniętej urnie kula musiała być biała, a przypuszczenie, że mogła być czarna wynikało jedynie z naszej niepełnej wiedzy przed zaglądnięciem do urny. W mikroświecie sytuacja wygląda inaczej. Pojedyncza kula kwantowa, dopóki pozostaje w zamkniętej urnie, może być jednocześnie czarna i biała, i dopiero zaglądnięcie do urny redukuje jej stan do jednej z dwu ewentualności: „czarna” lub „biała”. Jeśli zobaczymy, że kula jest biała, oznacza to jedynie, że w zamkniętej urnie superpozycja stanów kuli zawierała „biały” składnik.

Paradoksy mnożą się jeszcze bardziej gdy rozważamy układy dwu lub więcej obiektów kwantowych, których obrazową acz daleką od kwantowej rzeczywistości przenośnią są kule w urnach, jak te opisane wyżej. Np. dwie kwantowe kule w oddzielnych urnach mogą pozostawać w tzw. stanie splątanym. Jeśli jedną z nich, nie zaglądając do urny, zawieziemy do Nowego Jorku, a drugą do Tokio, wówczas — mimo dzielącej je odległości — jakiekolwiek laboratoryjne manipulacje na kuli w Nowym Jorku oznaczać będą jednoczesną zmianę stanu tej drugiej w Tokio. Tak więc odległe cząstki mogą w świetle teorii kwantowej „wiedzieć” o sobie nawzajem bez jakiegokolwiek „porozumiewania się”. To właśnie między innymi ten paradoks zniechęcił Einsteina do mechaniki kwantowej.

„Bulwersujące” eksperymenty – również w Toruniu

Jednak dziś w laboratoriach całego świata fizycy przeprowadzają eksperymenty, których sama idea tak bulwersowała Einsteina: generowane są splątane pary fotonów, zachowujące się właśnie tak, jak gdyby wiedziały dokładnie co się dzieje z ich bliźniakiem, pomimo znacznej przestrzennej separacji. Warto wspomnieć, że jednym z tych laboratoriów jest działające na UMK Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej — FAMO, a prekursorskie, czysto teoretyczne badania nad zagadkowymi prawami przepływu informacji w świecie kwantów prowadzono w toruńskim Instytucie Fizyki, pod kierownictwem prof. Romana Ingardena już w latach 70-tych, w czasach gdy nie istniały jeszcze techniczne możliwości doświadczalnego weryfikowania zaskakujących wniosków teoretycznych. Stare prace zespołu prof. Ingardena przeżywają dziś „drugą młodość” i są często cytowane przez autorów z całego świata, a w obecnym, Zakładzie Fizyki Matematycznej kierowanym przez prof. Andrzeja Jamiołkowskiego prowadzone są intensywne badania nad nowymi aspektami teorii.    

Bezpieczna kryptografia?

Dzisiejsza moda na kwantową teorię informacji wywołana jest po części tym, że właśnie owe paradoksalne z pozoru własności obiektów kwantowych stanowią „bogactwo naturalne”, które można wykorzystać w konstrukcji ultraszybkich komputerów kwantowych albo do całkowicie bezpiecznego przesyłania poufnej, zaszyfrowanej informacji, wykluczając raz na zawsze możliwości podsłuchu, kopiowania czy fałszerstwa. Działające dziś najdoskonalsze nawet „klasyczne” systemy kryptograficzne nie są jeszcze w pełni niezawodne. Banki i ich klientów — posiadaczy kart kredytowych — na pewno ucieszy wiadomość, że kryptografia kwantowa pozwoli bez najmniejszych obaw przesyłać numery kart i kody dostępu, a zatem np. przeprowadzać dowolne operacje finansowe za pośrednictwem  Internetu. Prototypy kwantowych urządzeń szyfrujących są już produkowane w Szwajcarii. Na domowe komputery kwantowe przyjdzie nam jednak jeszcze trochę poczekać.

(Opr. na podstawie tekstu dr Miłosza Michalskiego)