Kwantowe splątanie pomiędzy bilionem atomów a pojedynczym fotonem

Słynny paradoks Einsteina-Podolskiego-Rosena powraca po ponad 80 latach w nowej odsłonie. Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wytworzyli wielowymiarowy stan splątany pomiędzy zbiorem atomów a pojedynczą cząstką światła – fotonem. Co więcej, wytworzone w laboratorium splątanie udało się przechować przez rekordowy czas kilku mikrosekund. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie fizycznym Optica.

W swojej słynnej pracy w Physical Review z 1935 r. A. Einstein, B. Podolsky i N. Rosen rozważali rozpad cząstki na dwie części, np. produkty promieniotwórczego rozpadu jądra atomowego. W tym eksperymencie myślowym kierunki lotu produktów rozpadu, a właściwie ich pędy, okazywały się być zawsze dokładnie przeciwne. Z punktu widzenia fizyki klasycznej nie byłoby w tym nic dziwnego, lecz stosując zasady powstałej w latach 1920. teorii kwantowej, Einstein i współpracownicy szybko doszli do paradoksu. Paradoks ten opiera się o tzw. zasadę nieoznaczoności Heisenberga, która zabrania zmierzenia jednocześnie położenia i pędu cząstki z nieograniczoną dokładnością.  W eksperymencie myślowym Einsteina możemy jednak zmierzyć pęd jednej cząstki, poznając tym samym dokładnie przeciwny pęd drugiej z cząstek. Kiedy zmierzymy położenie tej drugiej cząstki, poznamy jednocześnie, a zarazem bardzo precyzyjnie, jej położenie i pęd, łamiąc tym samym zasadę nieoznaczoności Heisenberga.

Dziś wiemy jednak, że powyżej opisany eksperyment wcale nie jest, jak kiedyś sądzono, paradoksalny. Błędem Einsteina i współpracowników było stosowanie zasady nieoznaczoności do układu dwóch cząstek. Kiedy potraktować dwie cząstki jako całość, okazuje się, że zasada nieoznaczoności w swojej pierwotnej formie przestaje obowiązywać, w szczególności dla pary cząstek znajdujących się w stanie splątanym.

W Laboratorium Pamięci Kwantowych (Wydział Fizyki UW) po raz pierwszy udało się wytworzyć takie właśnie splątanie pomiędzy obiektem makroskopowym – grupą ok. biliona gorących atomów rubidu umieszczonych w szklanym cylindrze o długości 10 cm i średnicy 2.5 cm, a elementarną cząstką światła – pojedynczym fotonem. W wyniku oddziaływania atomów z wiązką lasera dochodzi do rozproszenia pojedynczych fotonów, które rejestrujemy na czułej kamerze. Zarejestrowany foton dostarcza nam informacji o stanie biliona atomów w komórce. Atomy te możemy przechować, a następnie odtworzyć ich stan w dogodnym dla nas momencie – podkreśla jeden z autorów artykułu, doktorant Michał Dąbrowski.

Wyniki eksperymentu potwierdzają, że atomy i pojedynczy foton są wspólnie w stanie splątanym. Rejestrując położenie i pęd fotonu na kamerze, zyskujemy tym samym informację o stanie atomów, bez wykonywania na nich jakichkolwiek pomiarów. W celu pomiaru stanu atomów, oświetlamy je ponownie światłem lasera. W wyniku tego procesu emitowany jest kolejny foton, którego właściwości możemy mierzyć w laboratorium. W naszym eksperymencie demonstrujemy pozorny paradoks w wersji, w jakiej został oryginalnie opisany w pracy Einsteina i współpracowników z 1935 roku. Dodajemy jednak etap, w którym foton przechowywany jest w atomowej pamięci kwantowej. Atomy przechowują foton pod postacią tzw. fali spinowej, czyli fali obejmującej wszystkie bilion atomów w komórce - taki stan jest niezwykle odporny na utratę pojedynczych atomów – mówi doktorant Michał Parniak, również biorący udział w badaniach.

Eksperyment przeprowadzony przez grupę z Uniwersytetu Warszawskiego jest wyjątkowy pod jeszcze jednym względem. Stworzona dzięki grantom PRELUDIUM Narodowego Centrum Nauki oraz Diamentowy Grant MNiSW pamięć kwantowa pozwala przechowywać do 12 fotonów w postaci fal spinowych jednocześnie. Tak znaczna pojemność pamięci stwarza szansę na zastosowanie w dziedzinie kwantowego przetwarzania informacji. Wielowymiarowe splątanie, którym dysponujemy jest przechowywane w naszym układzie przez kilka mikrosekund. Jest to ponad tysiąc razy dłużej niż dotychczas raportowane w literaturze czasy, a tym samym wystarczająco długo, aby mieć możliwość dokonywania manipulacji na atomach podczas procesu przechowywania – tłumaczy dr hab. Wojciech Wasilewski, kierownik Laboratorium Pamięci Kwantowych.

Przestrzenno-pędowy stopień splątania, zademonstrowany w prestiżowym czasopiśmie Optica, może być z powodzeniem połączony z czasowym lub polaryzacyjnym stopniem swobody, umożliwiając generację tzw. hipersplątania. Przeprowadzone badania mogą posłużyć do testowania podstaw mechaniki kwantowej – teorii, która już niejednokrotnie stawiała naukowcom kłopotliwe pytania, prowadzące niezmiennie do trwającego wciąż postępu technologicznego.

wielowymiarowy stan splątany atom foton Michał Dąbrowski Michał Parniak Wojciech Wasilewski