Odkryte przez polskich naukowców splątanie kwantowe potwierdzone doświadczalnie

Splątanie związane - zjawisko kwantowe odkryte na drodze teoretycznej pod koniec XX w. przez grupę fizyków z Uniwersytetu Gdańskiego - zostało po raz pierwszy zaobserwowane w doświadczeniach laboratoryjnych wykonanych w Szwecji i Niemczech.

Pełni ono kluczową rolę w wielu zastosowaniach kwantowej informacji, np. w kryptografii kwantowej. Jednak brak możliwości wydobycia splątania związanego z układu fizycznego powodował, że ta odmiana splątania wydawała się początkowo mało przydatna. "W 1999 r. odkryliśmy tzw. efekt aktywacji związanego splątania, który cztery lata później udało się wzmocnić grupie fizyków z IBM, współpracującej z matematykiem i informatykiem prof. Peterem Shorem, twórcą słynnego algorytmu kwantowego rozkładu liczb naturalnych na czynniki pierwsze" - wspomina Paweł Horodecki, fizyk z Uniwersytetu Gdańskiego. Okazało się wówczas, że w pewnych warunkach między dwoma obiektami kwantowymi, znajdującymi się w stanach zazwyczaj nieprzydatnych dla kwantowej komunikacji, jednak można przesłać informację. Z biegiem czasu odkryto więcej zastosowań splątania związanego, m.in. metody otrzymywania tajnego klucza kryptograficznego i zmniejszania złożoności komunikacyjnej w pewnych sytuacjach.

Doświadczenia z czwórkami fotonów, przeprowadzone na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Sztokholmskiego, potwierdzają istnienie nowego zjawiska kwantowego - splątania związanego. Ta subtelna odmiana splątania została znaleziona na drodze teoretycznej w 1998 r. przez fizyków z Uniwersytetu Gdańskiego: Ryszarda Horodeckiego i jego synów, Pawła i Michała. "Nasze odkrycie było zaskakujące, nikt wcześniej się nie spodziewał, że taki rodzaj splątania może istnieć" - mówi Ryszard Horodecki, współodkrywca, obecnie dyrektor Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej (KCIK). "Tym większą satysfakcję mamy teraz, gdy po 11 latach wreszcie udało się je wytworzyć i zaobserwować w laboratorium" - dodaje.

Splątanie występuje na ogół między obiektami o kwantowych rozmiarach. Zazwyczaj pojawia się, gdy w jednym procesie fizycznym powstają lub oddziałują pary cząstek elementarnych. Rodowód splątania kwantowego sięga 1935 r., gdy Albert Einstein, Borys Podolski i Nathan Rosen opublikowali pracę mającą dowieść, że rodząca się wówczas mechanika kwantowa nie jest teorią kompletną. Aby wykazać słuszność tego przypuszczenia, uczeni zaproponowali doświadczenie myślowe znane jako paradoks EPR (litery pochodzą od nazwisk autorów). Pokazywali w nim, że w pewnych sytuacjach cząstki kwantowe (fotony, elektrony itp.), które wcześniej w specyficzny sposób ze sobą oddziaływały, powinny natychmiast reagować na zmianę stanu swojego partnera, nawet jeśli ten znajduje się w dowolnie dużej odległości. Sytuacja wydawała się paradoksalna, bo fizycy zgodnie uznają, że informacja nie może być przekazywana z miejsca na miejsce z prędkością większą od prędkości światła. "Obecnie patrzymy na problem w inny sposób" - wyjaśnia Ryszard Horodecki. "W wyniku oddziaływania, podczas którego powstaje splątanie, obie cząstki zaczynają tworzyć jeden układ fizyczny. Zachowuje on swą spójność nawet wówczas, gdy rozdzielimy cząstki" - dodaje. Pomiar przeprowadzony na jednym splątanym obiekcie jest więc w rzeczywistości przeprowadzany na całym układzie, czyli na wszystkich obiektach go tworzących, niezależnie od miejsca, w którym się znajdują. Dlatego gdy mierzymy stan jednej cząstki splątanej, druga, odległa, natychmiast przechodzi do stanu dopełniającego.