Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Jestem przekonany, że On nie gra w kości” – pisał Albert Einstein w grudniu 1926 r. w liście do niemieckiego fizyka Maksa Borna. „Ta teoria daje wiele, ale nie przybliża nas do tajemnicy Przedwiecznego” .
Einstein odpowiadał w ten sposób na założenia kształtującej się wówczas mechaniki kwantowej, szkoły fizyki, której założenia często stawały w poprzek einsteinowskiej względności czy wręcz zdrowemu rozsądkowi. Podczas gdy fizyka przed kwantami zawsze polegała na stwierdzaniu twardych faktów i przewidywaniu skutków działań, mechanika kwantowa operowała wyłącznie prawdopodobieństwami: kiedy zrobimy „A”, wcale nie musimy uzyskać wyniku „B”.
Choć w pewnych sytuacjach jest na pozór odwrotnie: „A” zawsze wywołuje „B”, choć na pierwszy rzut oka nie ma absolutnie prawa tego robić. Tak właśnie działają tzw. stany splątane: kwantowe efekty, które sprawiają, że dwie cząstki elementarne, choćby znajdowały się tysiące kilometrów od siebie, zawsze zachowują się tak, jakby łączyła je niewidzialna nić. Tego Einstein też nie mógł zaakceptować. Nazwał splątanie kwantowe „upiornym działaniem na odległość”. Lekceważące określenie ku niesmakowi fizyków kwantowych do splątania przylgnęło na długie lata. Ale to oni triumfowali.
To właśnie za eksperymenty ze splątanymi kwantowo fotonami Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali w 2022 r. Alain Aspect z Francji, John F. Clauser z USA i Anton Zeilinger z Austrii. Wszyscy trzej przeprowadzili przełomowe eksperymenty, które utorowały drogę do nowych technologii nazywanych kwantową informatyką. Dziś dzięki ich pracy jesteśmy o krok od stworzenia niedających się złamać szyfrów, bezpiecznych sieci internetowych czy komputerów kwantowych, które w pewnych zastosowaniach mają być dziesiątki tysięcy razy szybsze od konwencjonalnych.
Splątanie działa tak: załóżmy, że mamy urządzenie, które emituje w przeciwnych kierunkach pary splątanych cząstek elementarnych. Te docierają do dwojga badaczy – Alice i Boba, którzy mogą mierzyć ich własności. Jedna z nich, tzw. spin cząsteczki, może przybierać tylko dwie wartości: plus lub minus. Oboje, mierząc spiny docierających do nich cząstek, zobaczą losową serię plusów i minusów. Ale kiedy porównają swoje wyniki, okaże się, że za każdym razem, gdy do Alice dotarła cząstka o spinie dodatnim, Bob mierzył spin ujemny i odwrotnie. Bez względu na to, jak daleko od siebie się znajdują, wyniki ich pomiarów są ze sobą bezpośrednio powiązane. To, co dzieje się z jedną z cząstek w splątanej parze, decyduje o tym, co dzieje się z drugą cząstką.
Przez wiele dziesięcioleci kluczowe dla fizyków pytanie brzmiało: czy ta korelacja wynika z tego, że cząstki w splątanej parze zawierają ukryte zmienne, jakieś „instrukcje”, które mówią im, jaki wynik mają dać podczas pomiaru?
W latach 60. północnoirlandzki fizyk John Stewart Bell (zmarł w 1990 r.) opracował matematyczne założenia eksperymentu, który miał to sprawdzić. To eksperyment myślowy mający rozstrzygnąć, czy splątanie kwantowe jest prawdziwym efektem wynikającym z fundamentalnych praw rządzących Wszechświatem, czy też artefaktem wynikającym z naszej nieznajomości wszystkich rządzących nim praw. W skrócie – jeśli o stanach cząstek decydowałyby „ukryte instrukcje”, korelacja między badanymi w eksperymencie cząstkami nigdy nie przekroczyłaby pewnej wartości.
W latach 70. John Clauser, a następnie Alain Aspect, przekuli myślowy eksperyment Bella na laboratoryjną rzeczywistość. Mechanika kwantowa obroniła się za każdym razem. Korzystając z udoskonalonych przez nich narzędzi i eksperymentów, Austriak Anton Zeilinger zaczął prowadzić eksperymenty z praktycznym wykorzystaniem splątanych stanów kwantowych. Udowodnił między innymi istnienie „teleportacji kwantowej”, czyli zjawiska umożliwiającego przenoszenie stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą na odległość.
A to już coś, co interesuje nie tylko fizyków, ale i informatyków czy… szpiegów.
Możliwość manipulowania stanami kwantowymi na odległość i tworzenia splątanych par cząstek elementarnych może bowiem umożliwić stworzenie łączy telekomunikacyjnych, których podsłuchanie gdzieś po drodze będzie fizycznie niemożliwe.
W 2004 r. Zeilinger przeprowadził eksperymenty z kwantowo splątaną komunikacją, łącząc niehakowalnym łączem laboratoria po dwóch stronach Dunaju. W 2007 r. kolejny eksperyment połączył już położone o 144 km od siebie stacje na Wyspach Kanaryjskich. Wreszcie 29 września 2017 r. Chiński satelita Micius wysłał pakiety danych zawierające zakodowane w splątanych kwantowo cząstkach klucze kryptograficzne do laboratoriów w Pekinie i Wiedniu. Zeilinger oraz jego chiński rywal i przyjaciel Jian-Wei Pen udowodnili, że da się stworzyć sieć łączności opartą na kwantowych zabezpieczeniach. Każda próba przechwycenia cząstek zawierających klucze doprowadziłaby do zerwania stanu splątania między nimi, ujawniając obecność hakera. W przeciwieństwie do elektronicznych zer i jedynek tworzących konwencjonalne bity i bajty, splątanych komunikatów nie da się po prostu skopiować i odczytać.
Ale splątanie to nie tylko bezpieczna komunikacja, to także potencjalna rewolucja w przetwarzaniu danych: bez tego efektu nie moglibyśmy nawet myśleć o budowie komputerów kwantowych. Ich fizyczna realizacja jest ciągle odległa, ale jest na co czekać – mogą nam pomóc drastycznie zwiększyć możliwości centrów obliczeniowych, w tym tych, które odpowiadają za modelowanie klimatu, projektowanie nowych, rewolucyjnych materiałów czy fuzję jądrową.
Nowa technologiczna rewolucja zbliża się do nas wielkimi krokami. Rewolucja oparta na efektach pogardliwie nazywanych przez Einsteina „grą w kości” czy „upiornym działaniem”. Pierwsza rewolucja kwantowa dała nam tranzystory i lasery. Druga może sprawić, że era tranzystora dobiegnie końca.
