Splątanie kwantowe to jeden z najbardziej fascynujących i najmniej intuicyjnych aspektów współczesnej nauki. Polega ono na tym, że dwie cząstki stają się tak silnie ze sobą powiązane, iż stan jednej z nich natychmiastowo determinuje stan drugiej – bez względu na to, jak duża odległość je dzieli. Do tej pory zjawisko to z powodzeniem demonstrowano na fotonach (cząstkach światła) oraz wewnętrznych stanach spinowych atomów. Jednak najnowsze badanie opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications przenosi ten fenomen na zupełnie inny poziom: fizycy z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego (ANU) zdołali splątać pęd atomów helu.
Czytaj także: Kondensat Bosego-Einsteina – tajemniczy stan, w którym światło zwalnia
Dlaczego jest to tak istotne? Kluczowym czynnikiem jest tutaj masa. W przeciwieństwie do fotonów, atomy posiadają masę, a ta bezpośrednio oddziałuje z grawitacją. Możliwość kontrolowania i mierzenia splątania pędu w obiektach masywnych daje fizykom unikalne narzędzie do testowania teorii grawitacji kwantowej, która od dziesięcioleci pozostaje “świętym Graalem” współczesnej nauki, próbującym połączyć ogólną teorię względności z mechaniką kwantową.
Kondensat Bosego-Einsteina i kwantowe halo
Proces osiągnięcia tego stanu wymagał niezwykłej precyzji i ekstremalnych warunków laboratoryjnych. Zespół pod kierownictwem prof. Seana Hodgmana wykorzystał atomy helu, które schłodzono do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu. W tak niskich temperaturach atomy niemal całkowicie się zatrzymują, a ich indywidualne tożsamości zacierają się, tworząc tzw. kondensat Bosego-Einsteina – stan skupienia materii, w którym miliardy cząstek zachowują się jak jeden superatom.
Naukowcy użyli precyzyjnie dostrojonych impulsów laserowych, aby rozdzielić ten kondensat na trzy grupy: jedną poruszającą się w górę, drugą w dół oraz jedną pozostającą w spoczynku. W momencie, gdy poruszające się chmury przechodziły przez chmurę stacjonarną, dochodziło do kolizji poszczególnych atomów. W wyniku tych zderzeń atomy rozpraszały się w przeciwnych kierunkach, tworząc sferyczne struktury zwane halo rozproszeniowymi. Przy odpowiednio niskiej gęstości badaczom udało się doprowadzić do sytuacji, w której w pojedynczym cyklu eksperymentalnym rozpraszana była tylko jedna para atomów. To właśnie ta para znajdowała się w stanie superpozycji – istniała jednocześnie w wielu punktach przestrzeni, będąc ze sobą nierozerwalnie splątana.
Weryfikacja, której nie wyjaśnia klasyczna fizyka
Aby udowodnić, że mamy do czynienia z prawdziwym splątaniem kwantowym, a nie zwykłą korelacją klasyczną, zespół wykorzystał zaawansowane urządzenie – interferometr Rarity-Tapstera. Metoda ta, stosowana wcześniej głównie w optyce kwantowej do badania fotonów, po raz pierwszy została zaadaptowana do fal materii. Jak wyjaśnia prof. Hodgman, “atomy rozpraszają się, a następnie są odbijane z powrotem na siebie, aby doprowadzić do ich interferencji. Zjawisko to występuje tylko wtedy, gdy atom rzeczywiście znajduje się w stanie superpozycji”.
Wyniki pomiarów potwierdziły istnienie tzw. korelacji Bella, których nie da się wyjaśnić za pomocą żadnej klasycznej teorii fizycznej. Praca nad tym projektem była niezwykle żmudna – samo ustawienie aparatury zajęło naukowcom rok, a zbieranie danych trwało nieprzerwanie przez miesiąc. Wszystko po to, by uzyskać statystycznie niepodważalny dowód na zachowanie, które dla ludzkiego mózgu pozostaje, słowami samego autora, “naprawdę dziwne”.
Przyszłość: Kwantowe czujniki i zagadka grawitacji
Odkrycie to ma ogromny potencjał aplikacyjny. Atomy splątane pod względem pędu mogą stać się fundamentem dla nowej generacji czujników kwantowych o niewyobrażalnej dotąd czułości. Takie urządzenia mogłyby wykrywać subtelne zmarszczki w czasoprzestrzeni, znane jako fale grawitacyjne, lub tworzyć niezwykle precyzyjne mapy wnętrza Ziemi, analizując minimalne zmiany w polu grawitacyjnym.
Czytaj także: Fizycy schłodzili cząsteczki do ekstremalnie niskiej temperatury. Tu rządzi już mechanika kwantowa
Zespół z Australii nie zamierza jednak na tym poprzestać. Kolejnym, zdaniem naukowców najbardziej przełomowym krokiem, ma być doprowadzenie do kolizji dwóch różnych izotopów helu – helu-3 i helu-4. Stworzenie pary cząstek splątanych jednocześnie pod względem pędu i masy postawiłoby obecne teorie grawitacji kwantowej przed ogromnym wyzwaniem. Obecne ramy ogólnej teorii względności nie oferują bowiem aparatu matematycznego, który byłby w stanie opisać taki stan. Rozwiązanie tej zagadki może przynieść rewolucję w naszym rozumieniu fundamentów wszechświata.