Kwantowe splatanie dwóch atomów Ryszard Tanas

John Bell, amerykański informatyk kwantowy, wyjaśniał zjawisko splątania kwantowego na przykładzie kolegi po fachu Reinholda Bertlmanna, który zasłynął tym, iż nosił skarpetki nie do pary. I kiedy zza rogu budynku wyłaniała się noga Bertlmanna w różowej skarpetce, wiadomo już było, że druga skarpetka z pewnością różowa nie jest. Analogia do pańskich fotonów trafna?

Bardzo. Bo czego dotyczy rzecz? Mianowicie tego, że kiedy mamy obiekt złożony z więcej niż jednej cząstki, na przykład dwa fotony, to czasami może być tak... jak to dobrze ująć... pomyślmy przez chwilę...

Fizycy mówią na ogół o korelacjach kwantowych. I analogia do skarpetek jest o tyle dobra, że są one skorelowane – bo jeśli jedna jest różowa, to wiadomo, że druga już taka nie będzie. W tym przypadku to jest antykorelacja, ale to bez znaczenia, bo to też korelacja, tyle że ujemna.

Może inny przykład – wyobraźmy sobie, że mamy dubeltówkę, która się nie do końca udała, bo kule poruszają się po torach ustawionych pod pewnym kątem w stosunku do siebie. I jest tylko jeden spust, czyli zawsze strzelamy dwoma pociskami równocześnie. Poczyńmy jeszcze założenie, że kule mają różne kolory – biały i czerwony. Otóż splątanie to jest taka sytuacja, w której naciskamy spust, ale nie wiemy, która kula jest czerwona, a która biała, a potem dwóch obserwatorów zbiera kule i okazuje się, że kiedy jeden podnosi z ziemi jedną i jest ona czerwona, wiadomo, że druga kula z pewnością jest biała. Ale zanim się tego nie dowiedzą, kule są i takie, i takie – łaciate. Nigdy nie wiadomo, jakiego koloru jest pojedyncza kula. Skarpetki są w sumie podobne...

Własność ta ma rozległe implikacje filozoficzne. Tak głębokie, że aż trudne do streszczenia. To również kolejny przykład na to, że ludzie nie zawsze chętnie godzą się z postępem w nauce. I tak Albert Einstein nie potrafił pogodzić się z faktem, iż układy fizyczne mogą występować w stanach splątanych. Niestety, nigdy nie udało mu się zaproponować innego, lepszego wyjaśnienia.

W powszechnym rozumieniu konsekwencją splątania jest możliwość przesłania informacji w sposób natychmiastowy – nawet z jednego krańca galaktyki na drugi.

Ale co znaczy przekazywanie informacji? To trzeba zdefiniować. Załóżmy, że jestem jedną z osób, które zbierają kule z naszej specjalnej dubeltówki. Znalazłem czerwoną i w tej chwili wiem, że na drugim końcu galaktyki musi być biała. Wiem natychmiast. To jest ten paradoks – bo przecież wiadomo skądinąd (mówi o tym szczególna teoria względności), że nic nie może przemieszczać się szybciej niż światło. Tyle tylko, że jeżeli ja wiem, jak działa układ, to nie ma mowy o przekazywaniu informacji. Byłem na to wcześniej przygotowany, dlatego że znam zasadę działania dubeltówki.

Dlatego właśnie fizycy mówią o korelacjach, czyli o tym, że dwururka ma pewną nietypową własność. I w tym sensie nie ma przekazywania informacji z szybkością większą niż prędkość światła.

Informacją jest wiedza o dubeltówce?

Otóż to. A przynajmniej tak sobie tłumaczymy ten paradoks, z którym jakoś trzeba żyć. Bo jak do tej pory wierzymy, że obie teorie – mechanika kwantowa dopuszczająca istnienie tych szczególnych korelacji i teoria względności zabraniającą zbyt szybkiego przesyłania informacji – są poprawne. I trzeba szukać wyjaśnień, które pogodzą obie te teorie.

Wiemy, jak zbudować taką dwururkę?

Na poziomie układów kwantowych – owszem. Właśnie taką mamy w Toruniu. Przy czym ona nie strzela kulami, ale wysyła fotony o różnej polaryzacji. Jeśli złapiemy jeden foton i zbadamy jego stan, to wiemy, że drugi foton jest spolaryzowany inaczej.