Naukowcy z międzynarodowego zespołu, który tworzą fizycy z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW, udowodnili, że urojoną część mechaniki kwantowej można zaobserwować w rzeczywistym świecie. To osiągnięcie pozwoli lepiej zrozumieć źródła efektywności superkomputerów kwantowych. Wyniki badań zostały opublikowane w „Physical Review Letters” oraz „Physical Review A”.

Od niemal wieku fizyków intryguje fundamentalne pytanie: dlaczego w mechanice kwantowej tak istotną rolę odgrywają liczby zespolone, czyli zawierające składnik z liczbą urojoną? Zwykle przyjmowano, że są one wyłącznie matematycznym trikiem ułatwiającym opis zjawisk, a sens fizyczny mają tylko wyniki wyrażone liczbami rzeczywistymi. Polsko-chińsko-kanadyjski zespół naukowców udowodnił jednak, że urojoną część mechaniki kwantowej można zaobserwować w rzeczywistym świecie. Wyniki ich badań mogą pomóc lepiej zrozumieć źródła efektywności komputerów kwantowych ─ maszyn liczących, pozwalających rozwiązywać niektóre problemy z szybkością nieosiągalną dla klasycznych komputerów.

Teoria i eksperyment

─ Nasze naiwne wyobrażenia dotyczące zdolności liczb do opisu świata fizycznego wymagają istotnego przebudowania. Do tej pory uważano, że związek z mierzalnymi wielkościami fizycznymi mają wyłącznie liczby rzeczywiste. Jednak w trakcie badań prowadzonych wspólnie z naukowcami z University of Science and Technology of China (USTC) w Hefei oraz University of Calgary (UCalgary) znaleźliśmy stany kwantowe splątanych fotonów, których nie da się rozróżnić bez sięgania po liczby zespolone ─ wyjaśnia dr Alexander Streltsov z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych (QOT) UW.

 Badacze przeprowadzili eksperyment potwierdzający znaczenie liczb zespolonych dla mechaniki kwantowej. ─ W fizyce liczby zespolone uważano za twory o czysto matematycznej naturze. W równaniach mechaniki kwantowej pełnią rolę wręcz podstawową, traktowano je jak narzędzie ułatwiające rachunki. Jednak na drodze teoretycznej i doświadczalnej dowiedliśmy, że są takie stany kwantowe, które można rozróżnić wyłącznie wtedy, gdy obliczenia prowadzi się z nieodzownym udziałem liczb zespolonych ─ mówi dr Alexander Streltsov.

 Gra w fotony

Eksperyment weryfikujący rolę liczb zespolonych w mechanice kwantowej można przedstawić w formie gry Alicji i Boba, z udziałem prowadzącego rozgrywkę mistrza. Za pomocą urządzenia z laserami i kryształami mistrz gry wiąże dwa fotony w jeden z dwóch stanów kwantowych, których rozróżnienie bezwzględnie wymaga użycia liczb zespolonych. Następnie jeden foton wysyła do Alicji, a drugi do Boba. Każde z nich dokonuje pomiaru swojego fotonu, po czym komunikuje się z drugim w celu ustalenia istniejących korelacji.

 ─ Przypuśćmy, że wyniki pomiarów Alicji i Boba mogą przyjmować wyłącznie wartości 0 albo 1. Alicja widzi bezsensowny ciąg zer i jedynek, Bob podobnie. Jeśli jednak skomunikują się, mogą ustalić powiązania między odpowiednimi pomiarami. Jeśli mistrz gry wysłał im stan skorelowany, gdy jedno zobaczy wynik 0, drugie również. Jeśli otrzymali stan antyskorelowany, gdy Alicja zmierzy 0, u Boba będzie 1. Dzięki wzajemnym uzgodnieniom Alicja i Bob mogliby rozróżnić nasze stany, ale tylko w sytuacji, gdyby ich kwantowa natura miała charakter fundamentalnie zespolony ─ tłumaczy fizyk z QOT UW.

 Do opisu teoretycznego naukowcy wykorzystali teorię zasobów kwantowych. Samo doświadczenie z lokalnym rozróżnianiem splątanych stanów dwufotonowych przeprowadzono w laboratorium w Hefei, posłużono się techniką optyki liniowej. Przygotowane przez badaczy stany kwantowe okazały się rozróżnialne, co dowodzi, że liczby zespolone są integralną, nieusuwalną częścią mechaniki kwantowej.

 Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW jest jednostką programu Międzynarodowe Agendy Badawcze, realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, ze środków Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój. Siedzibą jednostki jest Centrum Nowych Technologii UW. W QOT UW prowadzone są badania, które dotyczą wykorzystania w technologiach optycznych takich zjawisk kwantowych jak superpozycja kwantowa czy splątanie. Zjawiska te mają potencjalne zastosowania w łączności, mogąc zapewnić bezpieczeństwo transmisji danych, w obrazowaniu, ponieważ przyczyniają się do poprawy rozdzielności, a także w metrologii ─ w celu zwiększenia dokładności pomiarów.

Źródło: Uniwersytet Warszawski, fot. Pixabay