Nielokalność, czyli „upiorne działanie na odległość” Alberta Einsteina, udało się już zaobserwować między obiektami kwantowymi oddalonymi nawet o ponad kilometr. Postęp nie powinien zaskakiwać: poszukiwania układów, w których można dostrzec ślady nielokalności, nabrały w ostatnich latach rozpędu. Kolejnym krokiem ku lepszemu poznaniu nielokalności jest publikacja naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW), zamieszczona w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

W artykule pt. „Bell Inequality, Einstein-Podolsky-Rosen Steering, and Quantum Metrology with Spinor Bose-Einstein Condensates” przedstawiono kompletny opis teoretyczny zjawiska nielokalności w wielociałowym układzie kwantowym: kondensacie Bosego-Einsteina. Szczególnie istotnym elementem publikacji jest opisana krok po kroku procedura wykrywania nielokalności. Ponieważ wszystkie etapy procedury są osiągalne za pomocą współczesnych technik doświadczalnych, zaobserwowanie tego subtelnego nieklasycznego zjawiska w układzie wielociałowym wkrótce powinno stać się faktem.

Mechanika kwantowa to teoria sformułowana w pierwszej połowie XX wieku. Jej przewidywania potwierdzono w licznych doświadczeniach, a zastosowania rozciągają się od procesorów komputerowych po lasery medyczne.

– Teoria kwantów jest powszechnie uznana, lecz jej niektóre aspekty wciąż budzą kontrowersje. Na przykład superpozycja, czyli taki opis układu, jakby znajdował się on w wielu miejscach naraz. Superpozycja nie ma odpowiednika w świecie klasycznym, przysparza też dużo trudności interpretacyjnych. Splątanie – czyli kwantowa korelacja między obiektami fizycznymi – to kolejne zjawisko, którego nie sposób sprowadzić do doświadczeń życia codziennego – tłumaczy dr hab. Jan Chwedeńczuk (FUW).

Dla wielu badaczy najistotniejszym aspektem mechaniki kwantowej, z punktu widzenia filozoficznego i poznawczego, jest jej nielokalność. Przywykło się sądzić, że zachowanie obiektów fizycznych wynika z tego, co się dzieje wokół nich i raczej nie dopuszcza się 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.

Można wyobrazić sobie parę butów, dwa pudełka i maszynę decydującą w sposób przypadkowy, do którego pudełka trafi który but. Po losowaniu i podziale, jedno pudełko wysyła się na Marsa, drugie pozostawia na Ziemi. Jeszcze zanim się sprawdzi, który but znajduje się w pudełku na Ziemi, można 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 opisuje się inaczej, jakby przed zajrzeniem do pudełka obie możliwości współbytowały. Co więcej, to, co będzie się robić z jednym z pudełek przed pomiarem, wpłynie na stan drugiego, niezależnie od tego, jak bardzo oba pudełka są od siebie odległe. Mówi się zatem, że mechanika kwantowa jest teorią nielokalną. Zgodnie z takim opisem na Ziemi i Marsie znajdują się buty „lewoprawe”. Dopiero gdy zajrzy się do jednego pudełka, stan butów zostanie określony, przy czym w drugim pudełku „upiornie” pojawi się but dopełniający do znalezionego w pierwszym.

Schemat rozpraszania par atomowych przedstawiony wraz z falą świetlną. Gaz atomowy to czarna kropka, obszary A i B odpowiadają dwóm rozdzielonym pudełkom z butami, źródło: Wydział Fizyki UW

Powyższy przykład jest wyłącznie obrazową ilustracją. W rzeczywistości tak subtelnych zjawisk kwantowych nie obserwuje się 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 istotnie 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. 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 – mówi dr hab. J. Chwedeńczuk.

Badania warszawskich teoretyków sfinansowano z grantów Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Narodowego Centrum Nauki.