U swoich najgłębszych fizycznych podstaw świat wydaje się być nielokalny: cząstki odseparowane przestrzennie zachowują się tak, jakby tworzyły nie odrębne układy kwantowe, lecz jeden. Dwójka polskich fizyków właśnie udowodniła, że nielokalność o fundamentalnej naturze – wynikającą z prostego faktu, że wszystkie cząstki tego samego typu są nierozróżnialne – można zaobserwować doświadczalnie dla praktycznie wszystkich stanów cząstek identycznych.

Wszystkie cząstki tego samego rodzaju – na przykład fotony czy elektrony – są ze sobą splątane, zarówno te obecne na Ziemi, jak i te w najdalszych zakątkach odległych galaktyk. To zaskakujące twierdzenie jest konsekwencją faktu będącego jednym z postulatów mechaniki kwantowej: cząstki tego samego typu są w swojej istocie identyczne. Czy oznacza to, że mamy na wyciągnięcie ręki uniwersalne źródło splątania odpowiedzialne za osobliwości kwantowego świata, w tym urągającą zdrowemu rozsądkowi nielokalność? Jak przechytrzyć teorię kwantów, która skrzętnie strzeże dostępu do tego niezwykłego zasobu? Odpowiedzi na tak postawione pytania udzielili dwaj teoretycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie i Instytutu Informatyki Teoretycznej i Stosowanej Polskiej Akademii Nauk w Gliwicach (IITiS PAN) w artykule opublikowanym na łamach czasopisma „npj Quantum Information” renomowanej grupy wydawniczej „Nature”.

Teoretycy z IFJ PAN i IITiS PAN podjęli się analizy fundamentalnego splątania cząstek identycznych, odwołując się bezpośrednio do pojęcia nielokalności Bella. O ile splątanie to termin mocno osadzony w abstrakcyjnej teorii kwantów, o tyle pojęcie lokalności jest znacznie bardziej intuicyjne i uniwersalne. Odwołuje się do zdroworozsądkowej zasady mówiącej, że zdarzenia mają swoje przyczyny i skutki, które rozchodzą się w przestrzeni ze skończoną prędkością, nie większą niż prędkość światła. Gdy jednak takiego wyjaśnienia nie ma, wchodzimy w obszar zjawisk nielokalnych. Na tym właśnie polegała genialność odkrycia północnoirlandzkiego fizyka Johna Stewarta Bella: wskazał on eksperyment, którego nie sposób zinterpretować lokalnie. Kluczowym elementem jest w nim splątanie dwóch odrębnych układów, na których badacze – tradycyjnie nazywani Alicją i Bobem – mogą wykonywać dowolne i niezależne pomiary.

„Na pozór sprawa może wydawać się prosta: splątane układy łamią nierówności Bella, wystarczy więc zrobić dobrze zaplanowany eksperyment. Owszem, ale dotyczy to jedynie układów rozróżnialnych, które można ponumerować i wysłać do dwóch odległych laboratoriów. Z cząstkami identycznymi cała ta konstrukcja staje się nieprzydatna”, mówi dr hab. Paweł Błasiak (IFJ PAN), a następnie wyjaśnia: „Mechanika kwantowa mówi jasno: cząstki identyczne są ze swojej natury nierozróżnialne. W praktyce więc nie wykonujemy pomiarów na ‘tej konkretnej’ cząstce, lecz na ‘jakiejś’ cząstce w danym miejscu. Fizyka kwantowa konsekwentnie broni się przed próbami nadania im indywidualnych etykietek – i właśnie dlatego klasyczny scenariusz Bella nie daje się tu zastosować”.

Dr hab. Marcin Markiewicz (IITiS PAN), współautor artykułu, doprecyzowuje: „Ta z pozoru subtelna różnica wprowadza nowe reguły gry w opisie świata: wymaga symetryzacji lub antysymetryzacji funkcji falowej w układach z wieloma cząstkami. To właśnie z zasady identyczności cząstek wynika podział na fermiony i bozony, czyli dwa światy, które tworzą fundament budowy atomów i ich jąder oraz decydują o strukturze oddziaływań. Nierozróżnialność wprowadza też zamieszanie w samym pojęciu splątania: w przypadku cząstek identycznych nie działa ono tak, jak jesteśmy do tego przyzwyczajeni – i traci część swojej użyteczności. W tym właśnie tkwi cała trudność z odpowiedzią na pytanie o nielokalność wynikającą z fundamentalnej nierozróżnialności cząstek”.

Współczesne eksperymenty ze splątaniem polegają na jego sztucznym wytwarzaniu za pomocą oddziaływań zachodzących między cząstkami wchodzącymi w skład układu kwantowego. Tymczasem mechanika kwantowa wskazuje również na inny, bardziej fundamentalny mechanizm: splątanie – a wraz z nim być może także nielokalność – jawi się jako bezpośrednia konsekwencja identyczności cząstek tego samego typu. W takim ujęciu nielokalność mogłoby ujawniać się nawet między cząstkami, które nigdy wcześniej ze sobą nie oddziaływały.

Właśnie ta pierwotna nielokalność zainteresowała fizyków z IFJ PAN i IITiS PAN. Postanowili oni sprawdzić, czy można byłoby ją zademonstrować w eksperymentach zbudowanych wyłącznie z prostych (pasywnych liniowych) elementów optycznych: luster, płytek światłodzielących i detektorów cząstek. Układy tego typu można zaprojektować tak, aby propagujące się cząstki w żadnym punkcie się nie spotykały. Jeśli jednak mimo to udałoby się w nich złamać nierówności Bella, oznaczałoby to, że obserwowana nielokalność nie jest produktem oddziaływań w eksperymencie, lecz ma charakter fundamentalny.

Badacze zadali proste, a jednocześnie bardzo ogólne pytanie: dla jakich stanów kwantowych cząstek identycznych można wskazać klasyczny układ optyczny, w którym ujawnią się nielokalne korelacje? Trudność polega na tym, że zarówno liczba możliwych konfiguracji optycznych, jak i bogactwo stanów cząstek identycznych wydają się praktycznie nieograniczone. Naukowcy okiełznali tę złożoność korzystając z całego arsenału sprytnych narzędzi: interferometru Yurke-Stolera, pomysłowej postselekcji, koncepcji „gumki kwantowej”, indukcji matematycznej oraz doświadczenia w budowaniu modeli ze zmiennymi ukrytymi.

Polscy teoretycy w swoim artykule przedstawili kryterium pozwalające jednoznacznie rozstrzygnąć kwestię nielokalności dla dowolnego stanu z ustaloną liczbą cząstek identycznych. Wnioski są jednoznaczne: wszystkie stany fermionów i niemal wszystkie stany bozonów okazują się być zasobami nielokalnymi (w tym ostatnim przypadku poza wąską klasą tzw. stanów redukowalnych do pojedynczego modu). Warto podkreślić, że dowód jest całkowicie konstruktywny – krok po kroku pokazuje, jak zaprojektować eksperymenty optyczne ujawniające nielokalność badanego stanu.

„Z naszych badań wynika, że możemy sięgać po splątanie ukryte w fundamentalnej nierozróżnialności cząstek. Czyżby zatem nielokalność była immanentną cechą naszego świata, obecną w każdym jego zakątku? Wszystko wskazuje na to, że tak, a źródłem tej niezwykłej właściwości jest na pozór prosty postulat o identyczności cząstek tego samego typu”, konkluduje dr Błasiak, którego badania były współfinansowane ze stypendium Fulbright Senior Award 2022-23 w Institute for Quantum Studies w kalifornijskim Chapman University.

Wciąż jednak wiele pozostaje do zrozumienia, a pytania o naturę rzeczywistości oraz interpretację mechaniki kwantowej nabierają nowego sensu. Znamiennie wyrazili to fizycy Charles W. Misner, John A. Wheeler oraz późniejszy noblista Kip S. Thorne, pisząc w książce „Gravitation” z 1973 roku: „Dotąd nie zaproponowano żadnego przekonującego wyjaśnienia niezwykłej identyczności cząstek tego samego typu. Nie wolno traktować jej jako błahostki – jest to bowiem centralna tajemnica fizyki”. Najpewniej to właśnie ta zagadka będzie inspirować badaczy jeszcze przez długie dekady.

Źródło: IFJ PAN
fot. IFJ PAN, AI