Superpozycja i splątanie kwantowe są ze sobą związane. Coraz bliżej teorii wszystkiego?

Dwa dziwne zjawiska kwantowe – superpozycja i splątanie – są ze sobą związane. To ważne odkrycie, które może przyczynić się do rozwoju kryptografii kwantowej.
Splątanie kwantowe i superpozycja są ze sobą związane
Splątanie kwantowe i superpozycja są ze sobą związane

Badania sfinansowane przez Foundational Questions Institute (FQXi), organizację, która zapewnia granty w celu “katalizowania, wspierania i rozpowszechniania badań nad zagadnieniami związanymi z fizyką i kosmologią”, udowadniają, że świat kwantowy jest naprawdę dziwny. Tym razem naukowcom udało się powiązać dwa egzotyczne zjawiska – superpozycję i splątanie kwantowe.

Superpozycja oznacza, że nie jesteśmy z całą pewnością poznać wyniku pomiaru cząstki, gdyż jej istnienie obejmuje wiele wzajemnie wykluczających się stanów. Cząstka może znajdować się w dwóch lub więcej miejscach w tym samym czasie, a prawdopodobieństwo znalezienia jej w nich można obliczyć tylko wtedy, gdy się jej poszuka. Z kolei splątanie kwantowe łączy dwa obiekty, niezależnie od tego, jak daleko od siebie fizycznie są oddalone. Zmiana wartości jednego obiektu powoduje wpływ na drugi obiekt.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Teoria kwantowa matematycznie opisuje zarówno superpozycję, jak i splątanie. Wreszcie udało się połączyć oba zjawiska, a szczegóły badań opublikowano w Physical Review Letters.

Byliśmy bardzo podekscytowani znalezieniem tego nowego związku, który wykracza poza teorię kwantową. Związek ten będzie ważny nawet dla bardziej egzotycznych teorii, które dopiero zostaną sformułowane. Jest to ważne również dlatego, że jest niezależne od matematycznego formalizmu teorii kwantowej i używa tylko pojęć o bezpośredniej interpretacji operacyjnej.Ludovico Lami, fizyk z Foundational Questions Institute (FQXi) i Uniwersytetu w Ulm

Fizycy mają trudności z połączeniem teorii kwantowej z grawitacją w jedną “teorię wszystkiego”. To by sugerowało, że teoria kwantowa nie jest ostatecznym opisem naszej rzeczywistości, inspirując uczonych do dalszych poszukiwań. Każda nowa teoria musi uwzględniać superpozycję, splątanie kwantowe i probabilistyczny charakter rzeczywistości.

Zespół Lamiego badał “ogólne teorie probabilistyczne”, a nie teorię kwantową, co pozwoliło zbadać naukowcom, jak informacja jest przetwarzana w abstrakcyjnych systemach klasycznych, kwantowych i “pozakwantowych”.

Grant FQXi dał mi szansę dokładniejszego przyjrzenia się pewnym uniwersalnym cechom przetwarzania informacji w teoriach wykraczających poza mechanikę kwantową, matematycznie modelowanych przez ogólne teorie probabilistyczne. A badany przez nas prymitywny przykład kryptograficzny, dystrybucja tajnych kluczy, jest jednym z najprostszych zadań, w których można zastosować ten formalizm.Ludovico Lami

Okazuje się, że dwa obiekty mogą wejść w stan splątania kwantowego, wtedy i tylko wtedy, gdy wykażą lokalną superpozycję. Oznacza to, że splątanie i superpozycja są równoważne w każdej teorii fizycznej, nie tylko w teorii kwantowej. Obliczyli również, że w układach, w których ta równoważność zachodzi – czy to kwantowych, czy pozakwantowych – prawa teorii można wykorzystać do ultrabezpiecznej kryptografii. W szczególności zespół wykazał, że pewien popularny kwantowy protokół kryptograficzny, znany jako “BB84”, zawsze będzie działał – nawet jeśli pewnego dnia okaże się, że teoria kwantowa nie jest w pełni poprawna i musi zostać zastąpiona bardziej fundamentalną teorią.