— Published on 06/10/2022 / Bug.hr.
Alain Aspect, John Clauser i Anton Zeilinger dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za 2022. za revolucionarne eksperimente s prepletenim fotonima što omogućuje razvoj potpuno novih kvantnih tehnologija
Iz perspektive zdravog razuma, što je skup naših uvriježenih predodžbi o svijetu temeljenih na svakodnevnom iskustvu, kvantna mehanika je bizarna, čudna, šašava, nepojmljiva. Ali, problem nije u kvantnoj mehanici. Problem je nama, u tome što pojave iz svijeta najmanjeg uporno pokušavano uskladiti sa zdravim razumom. A to nikako ne ide, jer je svijet najmanjeg daleko od svakodnevnog iskustva pa onda i daleko od zdravog razuma. Taj svijet na maloj skali je naprosto takav kakav jest. Bitno drukčiji od svijeta na koji smo navikli. Fizičari su naučili nositi se s tom, mnogima bolnom, činjenicom. No, čak ni fizičarima to ne ide uvijek lako.
Kad je Einstein razvijao posebnu teoriju relativnosti, shvatio je da istodobnost ne može biti apsolutna, da mora biti relativna. Događaji koji su jednom opažaču istodobni, drugom – koji se giba s obzirom na njega – nisu istodobni. Einsteinov stariji i vrlo ugledni kolega Hendrik Lorentz (kojeg je sam Einstein izuzetno cijenio i koji je prije Einsteina došao do matematičkih izraza posebne relativnosti koji su danas poznati kao Lorentzove transformacije) rekao je otprilike: „nema šanse, to ne može biti, odbijam to prihvatiti”. Slično, kad su kasnije drugi fizičari razvijali kvantnu mehaniku (u kojoj je pak Einstein postavio neke od temelja, primjerice kvantnu prirodu fotona, kao čestice svjetlosti) i otkrili bizarnu pojavu zvanu kvantna prepletenost, onda je sam Einstein došao u poziciju da tvrdi: „nema šanse”. Cijeli se život Einstein nastavio opirati probabilističkoj interpretaciji kvantne mehanike, uporno tražeći ono što navodno nedostaje. Naročito se trudio osporiti kvantnu prepletenost kao suludo svojstvo koje potvrđuje njegove sumnje da kvantnoj teoriji nešto krucijalno nedostaje.
Što je uopće ta kvantna prepletenost?
Prepletenost (engleski entanglement, a u hrvatskom još i: spregnutost ili svezanost) je pojava pri kojoj dvije čestice koje su bile u interakciji, pa su potom razdvojene, ostaju u svojevrsnoj povezanosti bez obzira na udaljenost. Sustav dviju čestica koji je bio cjelina i dalje se ponaša kao cjelina unatoč tome što je svaka od dviju čestica odletjela na svoju stranu. Svaka od čestica kao da svakog časa zna što radi ona druga, makar je ta druga kilometrima, ili svjetlosnim godinama daleko. Einstein je to svojstvo pogrdno zvao sablasno djelovanje na daljinu.
Konkretno, imamo početno dva fotona koja su proizašla iz neke interakcije, recimo iz anihilacije elektrona i pozitrona. Pri tome elektron i pozitron nestaju, nastaju dva fotona koja iz točke interakcije odlaze brzinom svjetlosti svaki u svojem smjeru. Pritom vrijede svi zakoni očuvanja: energije, količine gibanja, raznih kvantnih brojeva, između ostalog i spina. Taj spin je nešto slično vrtni oko osi, ali svojstvo koje je kvantizirano, poprima samo diskretne vrijednosti. U slučaju fotona dvije su moguće vrijednosti, bez ulaženja u detalje recimo da su to +1 i -1. Zakon očuvanja spinskog kvantnog broja traži da je ukupni spin očuvan, isti prije i poslije interakcije. Ako je prije bila nula onda i kasnije ostaje nula, drugim riječima spinovi dvaju elektrona moraju biti različiti, ne mogu oba biti +1 niti -1 nego ako prvi foton ima +1 drugi mora imati -1, i obrnuto.
I sad, ako detektirate jedan od dvaju fotona, koji su bili odletjeli svaki na svoju stranu, i utvrdite spin +1 odmah znate da je njegov partner, koji je možda tisućama ili milijunima kilometara daleko ima spin -1. I što je tu čudno? Recimo da ste imali kantu s poklopcem i da se ona raspala tako da je kanta odletjela na jedan kraj svemira, a poklopac na drugi. Ako je do vas doletio poklopac onda istog časa znate da je tamo na drugu stranu odletjela kanta, i obrnuto. Zvuči prilično očito.
U čemu je kvaka? U tome da u kvantnom svijetu nije unaprijed određeno gdje je poklopac, a gdje kanta. Dio sustava koji je odletio na jednu stranu može se realizirati kao poklopac ili kao kanta, u slučaju fotona kao spin +1 ili spin -1, ali što će u konačnici ispasti ne zna se sve do trenutka detekcije. Tek pri detekciji realizira se jedno od dvaju stanja, recimo poklopac. Ali ako je taj dio sustava „odlučio” prikazati se kao poklopac, onaj drugi više nema izbora, on mora biti kanta. Sporno je to kako je on trenutačno „saznao” da mora biti kanta, a udaljen je toliko da informacija do njega ne bi stigla doputovati ni brzinom svjetlosti.
Što su napravili Aspect, Clauser i Zeilinger?
Einsteinova nesklonost probabilističkom opisu kvantne mehanike ostala je zapamćena u njegovoj slavnoj izjavi „Bog se ne kocka” (na što mu je Bohr rekao: „Prestani bogu određivati što da radi.”) Kao alternativa tom probabilističkom opisu smišljena je teorija skrivenih varijabli. Navodno postoje neke varijable bez kojih je kvantna teorija nepotpuna, ali kad bismo ih otkrili nestala bi ružna kvantna neodređenost i svijet na maloj skali postao bi deterministički.
Onda je, 1964. godine, John Stewart Bell pokazao da bi te skrivene varijable mogle funkcionirati samo pod određenim uvjetima, ne općenito. Bell je postavio izvjesna ograničenja, koja su postala poznata kao Bellova nejednakost, čije bi narušenje potvrdilo da ne postoje skrivene varijable odnosno da je teorija skrivenih varijabli nekompatibilna s predviđanjima kvantne mehanike.
I sad na scenu stupaju naši junaci. John Clauser je prvi osmislio i ostvario eksperiment za provjeru Bellove nejednakosti. Koristio je atome kalcija koji, obasjani posebnom svjetlošću, emitiraju prepletene fotone. Nakon mnoštva mjerenja uspio je pokazati narušenje Bellove nejednakosti.
Alain Aspect pronašao je bolji način pobude atoma pa je mogao proizvesti više prepletenih fotona. Također je bolje mogao kontrolirati uvjete eksperimenta. On je posve jasno potvrdio da je kvantna mehanika točna i da ne postoje skrivene varijable.
Mnoge dodatne provjere Bellove nejednakosti proveo je Anton Zeilinger. On je prepletene fotone stvarao tako da je laserom obasjavao posebne kristale. U jednom od svojih eksperimenata, kontrolu filtra kojima se mjeri polarizacija fotona osigurao je pomoću neovisnih signala iz dviju udaljenih galaksija.
Svi ti eksperimenti omogućili su manipuliranje kvantnim stanjima i, konkretno, primjenu kvante prepletenosti, što je temelj za kvantno računalstvo, prijenos i pohranjivanje kvantnih informacija te za realizaciju kvantnog šifriranja.