Fizycy kwantowi mają zagwozdkę. To nie miało prawa się udać

Trzech fizyków zaproponowało kiedyś eksperyment myślowy znany obecnie pod nazwą paradoksu EPR. Wiele lat później naukowcy przeprowadzili kompleksowy test polegający na zbadaniu jego założeń.
Fizycy kwantowi mają zagwozdkę. To nie miało prawa się udać

W gronie trzech wspomnianych fizyków znalazł się Albert Einstein, Borys Podolski oraz Nathan Rosen. To właśnie od pierwszych liter ich nazwisk wzięła się nazwa eksperymentu myślowego znanego jako paradoks EPR. XX-wieczni naukowcy – chcąc zwrócić uwagę na niezupełności mechaniki kwantowej – czyli techniki wykorzystywanej do opisywania mikroświata (będącej swego rodzaju uzpełnieniem mechaniki klasycznej) wymyślili eksperyment myślowy zaprezentowany światu po raz pierwszy w 1935 roku.

Czytaj też: Chiński komputer kwantowy rewolucjonizuje sztuczną inteligencję. Fenomenalna wydajność

Niemal dziewięćdziesiąt lat później świat nauki wciąż zajmuje się tą kwestią, o czym możemy przeczytać na łamach Physical Review X. Członkowie zespołu badawczego, kierowani przez Paolo Colciaghiego i Yifana Li z Uniwersytetu w Bazylei, wykorzystali dwa splątane kondensaty Bosego-Einsteina. Każdy składał się z 700 atomów, a przeprowadzone w ten sposób obserwacje były pierwszymi dotyczącymi paradoksu EPR w przestrzennie oddzielonych, masywnych układach wielocząstkowych.

Czym w ogóle jest wymieniony kondensat Bosego-Einsteina? Jak możecie wywnioskować z nazwy zjawiska kondensacji, Einstein również maczał palce w poświęconych mu badaniach. Samo pojęcie kondensatu najłatwiej wyjaśnić jako gaz, którego cząsteczki są bozonami i który to w skrajnie niskich temperaturach (oraz wysokich gęstościach) zaczyna wykazywać właściwości skrajnie różniące się od  własności klasycznego gazu. 

Główny paradoks mechaniki kwantowej, czyli eksperyment myślowy znany jako paradoks EPR, został zaprezentowany w 1935 roku

Podstawę paradoksu EPR stanowiły niejasności co do tego, czy istnieje możliwość, by przekroczyć prędkość światła. Nieco wątpliwości w tym zakresie pojawia się, gdy weźmiemy pod uwagę zjawisko splątania kwantowego. Najprościej można je opisać jako sytuację, w której dochodzi do powiązania ze sobą właściwości co najmniej dwóch cząstek. W efekcie oddziaływanie na jedną z nich – bez względu na to, jak bardzo są od siebie oddalone – wywrze wpływ na drugą. W praktyce pozwala to na mierzenie właściwości drugiej cząstki i wyciąganie wniosków co do własności pierwszej. 

Z drugiej strony, istnieje również coś, co nazywa się zasadą lokalności, która zakłada, że przyczyna zmiany fizycznej musi być lokalna. To z kolei mogłoby oznaczać, iż dokonując pomiarów jednej cząstki, druga (splątana z nią) również jest w jakiś sposób dotknięta i dzieje się tak nawet, gdy pomiar nie spełnia zasady lokalności. W myśl paradoksu EPR mechanika kwantowa jest niekompletna i nie stanowi idealnego rozwiązania do opisywania otaczającego nas wszechświata.

Czytaj też: Dlaczego zwykłe długopisy nie działają w kosmosie?

Poza tym, dotychczasowe eksperymenty obejmujące paradoks EPR były niezbyt rozbudowane: obejmowały małe, składające się z niewielkiej liczby atomów bądź fotonów układy. Wykorzystując kondensat Bosego-Einsteina, schłodzony do temperatur o ułamek stopnia Celsjusza wyższych od temperatury zera absolutnego,  badacze byli w stanie sprowadzić tworzące go atomy do najniższego możliwego stanu energetycznego, bez jednoczesnego całkowitego ich zatrzymania.

Na potrzeby eksperymentu użyto atomów rubidu-87, z których powstały dwa kondensaty liczące po 700 atomów. Zostały one oddzielone na dystansie mniej więcej 100 mikrometrów (jeden mikrometr jest równy jednej milionowej metra), a następnie badacze przeszli do wykonywania pomiarów właściwości w postaci pseudospinów tych kondensatów. Kluczowym wnioskiem było to, że właściwości obu kondensatów okazały się nieprzypadkowo skorelowane, co pokazuje, że cały paradoks występuje również na większą skalę niż dotychczas badane.