Prosta zależność między polaryzacją a splątaniem
Podstawą rozważań okazała się prosta tożsamość matematyczna opisana jako P² + K² = 1. Działa ona dla dowolnego pola świetlnego. Litera P oznacza tu polaryzację, czyli kierunek, w którym drga pole elektryczne światła. Jest to zjawisko znane chociażby z okularów przeciwsłonecznych. K to miara splątania kwantowego, które opisuje, jak różne części pola świetlnego są ze sobą nierozerwalnie powiązane, nawet na duże odległości. Oba parametry są ze sobą sprzężone jak huśtawka: gdy jeden rośnie, drugi musi maleć.
Czytaj też: Fizycy stworzyli coś, co według matematyki nie powinno istnieć. Termowizory nagle przestały pokazywać prawdę
Pracą kierował profesor Qian, którego zespół zastosował macierz koherencji. To narzędzie, w uproszczeniu tabela korelacji między składowymi światła, pozwoliło spojrzeć na polaryzację i splątanie jak na dwie strony tej samej monety. Dla najprostszych, dwuwymiarowych wiązek miara splątania (K) sprowadza się do tzw. konkurowalności, znanej już wcześniej z opisu splątania kubitów.
Most między mechaniką a optyką
Najciekawsze w tym odkryciu nie jest samo równanie, ale sposób, w jaki je wyprowadzono. Naukowcy sięgnęli po narzędzie z zupełnie innego działu fizyki: klasycznej mechaniki. Wykorzystali twierdzenie Huygensa-Steinera, formułę używaną powszechnie do obliczania momentów bezwładności, na przykład przy projektowaniu wskazówek zegara czy elementów protez. Badacze przekształcili problem optyczny w geometryczny. Wartości własne macierzy koherencji odwzorowali na trzy masy punktowe w wierzchołkach trójkąta równobocznego. Śledząc, jak przesuwa się środek ciężkości tego układu przy zmianie polaryzacji i splątania, uzyskali przejrzysty obraz wzajemnej zależności. W tym modelu odległość od środka trójkąta do środka masy reprezentuje polaryzację, a prostopadła do niej odległość do okręgu – splątanie. Te dwie odległości zawsze tworzą trójkąt prostokątny, stąd właśnie pitagorejska zależność P² + K² = 1.
To jest dobrze ugruntowane twierdzenie mechaniczne, które wyjaśnia działanie systemów fizycznych, takich jak zegary czy kończyny protetyczne. Ale byliśmy w stanie pokazać, że może ono również oferować nowe spojrzenie na to, jak działa światło – przypomina Qian
Czy pomiary staną się prostsze?
Odkrycie ma bezpośrednie przełożenie na praktykę laboratoryjną. Daje badaczom możliwość oszacowania poziomu splątania kwantowego wiązki światła poprzez pomiar jej polaryzacji. To istotne uproszczenie, ponieważ bezpośrednie testy splątania są złożone, wymagają zaawansowanej aparatury i bywają kosztowne. Tymczasem polaryzację można zmierzyć stosunkowo łatwo, nawet w warunkach pewnego szumu. Może to otworzyć drzwi do eksperymentów związanych ze splątaniem w mniejszych uczelniach czy placówkach dydaktycznych, gdzie budżet i dostęp do zaawansowanej technologii są ograniczone. Wstępne testy laboratoryjne potwierdzają, iż model działa w praktyce.
Czytaj też: Drut kwantowy bez oporu. Fizycy stworzyli gaz łamiący zasady termodynamiki
Odkrycie zespołu Qiana to idealny przykład tego, jak głębokie prawa fizyki mogą kryć się pod pozorną złożonością. Pokazuje też, że granica między fizyką klasyczną a kwantową bywa bardziej płynna, niż się wydaje. Sięganie do sprawdzonych, wiekowych narzędzi mechaniki w celu wyjaśnienia zjawisk kwantowych jest podejściem świeżym oraz inspirującym. Czy uprości to diametralnie pracę w laboratoriach kwantowych? Nie wiadomo, ale z pewnością oferuje nowy sposób myślenia i potencjalnie tańsze metody pomiarowe.