Względność przyczynowości

W superpozycji kwantowej obiekt może być w dwóch niekompatybilnych stanach w tym samym czasie, co jest znakomicie zilustrowane przez  martwego-i-żywego kota Schrödingera. Najnowsze badania wykazały, że jest możliwe, aby mieć superpozycję nie tylko niezgodnych stanów, ale także niezgodnych zdarzeń. Często myślimy o zdarzeniach, jako występujących w określonym porządku chronologicznym: zdarzenie A powoduje zdarzenie B, lub odwrotnie. Jednak w pewnych procesach kwantowych zdarzenia mogą nie zaistnieć w jednym określonym porządku, mianowicie oba występują w tym samym czasie. Zjawisko to nazywane jest "przyczynową nierozdzielnością”.

"W codziennym życiu, jesteśmy przyzwyczajeni do przeżywania, iż jedno zawsze dzieje się po drugim, efekty po ich przyczynach," Mateus Araújo z Uniwersytetu w Wiedniu oraz Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej w Wiedniu, Austria, powiedział: "Więc to jest trochę niepokojące, aby uświadomić sobie, że w głębi duszy Natura nie działa w ten sposób, że wszystko może się zdarzyć bez określonego porządku przyczynowego, gdzie nie możemy powiedzieć, co jest przyczyną, a co skutkiem."

Do tej pory przyczynowa nierozdzielność była analizowana tylko w bardzo abstrakcyjny sposób, bez wyraźnego interpretacji fizycznej. Ale w nowym artykule opublikowanym w New Journal of Physics, Araújo i współautorzy opisali przykład fizycznego procesu kwantowego, który pokazuje to zjawisko.

"Teoria kwantowa wstrząsnęła naszą wiedzą o rzeczywistości, informując nas, że systemy fizyczne mogą nie mieć określonych właściwości i mogą być w superpozycji niekompatybilnych stanów. Na przykład, biedny kot może być zarówno żywy i martwy jednocześnie. Teraz okazuje się, że nie tylko właściwości fizyczne, ale także związki przyczynowe (lub zdarzenia przyczynowe) same w sobie mogą być nieokreślone.

Fakt, że teoria kwantowa pozwala również na przyczynową nierozdzielność wydarzeń otwiera nowe możliwości; przykładem takiego zadania, wcześniej proponowanego przez fizyka Giulio Chiribella, jest określenie, czy kolejność działań warunkuje różny wynik w efekcie .

Procesy od A do B i od B do A przebiegają symultanicznie i ich rezultaty zawarte są w superpozycji efektów, co samo w sobie stanowi rozwiązanie problemu. 

Efekty kwantowe w życiu codziennym

Świat mechaniki kwantowej jest dziwny: przedmioty, które są daleko od siebie, mogą wpływać na siebie, co Albert Einstein nazwał "upiornym działaniem na odległość" i kot może być potencjalnie martwy i żywy w tym samym czasie. Przez dziesięciolecia naukowcy próbowali udowodnić, że te fakty są nie tylko dziwactwem matematycznym, ale prawdziwą właściwością świata fizycznego.

 Naukowcy wreszcie udowodnili, że związek między cząstkami w odległości odzwierciedla rzeczywistą naturę wszechświata, a nie jest jedynie artefaktem eksperymentalnym. Tymczasem, inny zespół naukowców starał się pokazać, że żywa istota, choćby bakteria, może być w dwóch różnych stanach kwantowych w tym samym czasie - tak jak kot w eksperymencie myślowym Schrödingera.

Według mechaniki kwantowej wirowanie jednego elektronu, nie może być znane przed pomiarem, jednak będzie idealnie korelowało z drugim splątanym elektronem - nawet jeżeli znajdują się one w odległych lokalizacjach. Einsteinowi nie podobało się to, ponieważ wydawało się sugerować, że informacje mogą być przesyłane z jednego do drugiego elektronu natychmiast – co oznaczało złamanie zasady, która mówi, nic nie może podróżować szybciej niż prędkość światła.

Ale w 1960 roku, w Irlandii Północnej, uczony John Bell wymyślił sposób, aby przetestować teorię Einsteina. "Nierówność Bella" jest spełniona tylko wtedy, gdy działania w jednym miejscu, nie mogą wpływać na inne miejsce, w których wyniki pomiarów są dobrze zdefiniowane wcześniej  i występuje w nich coś, co nazywamy "lokalnym realizmem".

Bell pokazał, teoretycznie, że kwantowe splątanie naruszałoby jego test nierówności, ale lokalne teorie ukrytych zmiennych zawierających realizm lokalny Einsteina: nie. To dlatego, że związek między splątanymi cząstkami jest silniejszy, niż Einstein chciał wierzyć. Więc jeśli zmierzona korelacja pomiędzy parami cząstek z eksperymentu była powyżej pewnego progu, byłaby niezgodna z ukrytymi zmiennymi i uwikłanie stało by się decydujące w skutkach.

 Wszystkie implementacje testów  Bella  zawierały luki, które pozostawiały jakieś pole manewru dla wszechświata posłusznemu lokalnej teorii realizmu.

Jedna z nich to to, iż skuteczność tych pomiarów jest zbyt niska (tzw. luki detekcji) - nie można było wykryć niektórych fotonów w eksperymencie.

Kolejną luka było to, że pomiary były zbyt powolne (luka położenia). Urządzenie pomiarowe było w stanie komunikować się  wolniej niż światło.

Nowe badanie jest pierwszym eksperymentem na jednoczesne zamknięcie obu luk w teście nierówności Bella. Naukowcy wykorzystali laser dla dwóch konkretnych elektronów, każdy z nich znajdował się w diamencie 1 km od siebie, aby zwiększyć swoją energię i wyemitować cząstkę światła (foton), który został uwikłany w stan elektronu. Fotony następnie przesyłane były przez włókno optyczne znajdujące się w trzecim położeniu. Jeśli fotony dotarły w tym samym czasie, oznaczało to, iż będą współdziałać ze sobą i stają się splątane - co oznaczało również, iż ich zdalni kumple: elektrony, również będą uwikłani.

Spiny elektronów były następnie mierzone, aby przetestować nierówności Bella. Obie luki zostały zamknięte, zapewniając efektywność i prędkość odczytowej na wystarczająco wysokim poziomie. W rezultacie, zespół był w stanie wykazać niezbicie, że wszechświat nie przestrzega lokalnego realizmu: wyniki pomiarów nie mogą być z góry znane, a połowa splątania  może wywierać działanie na  zdalnego partnera.

Splątanie nie jest jedynym rodzajem niezwykłego zachowania kwantowego. Innym skutkiem, znanym jako superpozycja, jest zdolność cząstek do występowania w dwóch stanach (na przykład wirowania i braku ruchu) jednocześnie, i obserwuje się to regularnie w laboratoriach na całym świecie. Na przykład, elektrony są znane z przemieszczania się przez dwie szczeliny w tym samym czasie - gdy ich nikt nie ogląda. W chwili, gdy obserwujemy każdą szczelinę, aby złapać to zachowanie w działaniu, cząstka wybiera tylko jedną szczelinę.

Jednak nie możemy bezpośrednio obserwować tych faktów w codziennym życiu, i ponieważ nie spotykamy takich dziwnych rzeczy, wydaje się logiczne, że istnieje jakiś przełącznik z dziwnego świata kwantowego do naszej znajomej codzienności.

Ale jaka to jest skala, w której ten przełącznik się znajduje?

A gdybyśmy mogli obserwować  większe obiekty w stanach superpozycji?

Jest to pytanie zadane w myślowym eksperymencie Schrödingera, w którym kot umieszczony jest w zamkniętym opakowaniu, podłączonego do  kolby z trucizną - z jednym atomem radioaktywnym, który ulegają rozkładowi w przypadkowym czasie.

Jeśli atom rozpada, kolba jest uszkodzona, a kot jest zatruty; jeśli nie, kot żyje. Wiemy, że gdy otwieramy opakowanie, musimy stwierdzić czy kot żyje, czy nie, ale czy jest to własność wszechświata, czy obserwatora, która sprawia, że ​​kot "wybiera" swój stan?

Nowa propozycja zakłada wprowadzenie bakterii, a nie kota, w stan superpozycji. Najnowsze osiągnięcia techniczne w oparciu o nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe - urządzenia służące do wykrywania promieniowania i obliczeń kwantowych - pozwoliły fizykom kwantowym obserwować efekty w maleńkich elastycznych membranach aluminiowych  połączonych z obwodami.

Membrany określane są jako duże obiekty w świecie fizyki kwantowej, ponieważ  mimo, iż mają  masę zaledwie 50 pikogramów (50 trylionową grama), zawierają setki miliardów atomów.  Rezonatory muszą być więc ochłodzone w ułamku zera absolutnego (-273°C), zanim powstaną efekty kwantowe. W przeciwnym razie termiczne drgania maskowałyby skutki.

Bakteria umieszczana jest na wierzchu takiej membrany, następnie schładzana do najniższego stanu energii. Membranę następnie umieszcza się w superpozycji dwóch różnych stanów ruchu: dwóch różnych rodzajów drgań. Mają one na celu wykazanie, że ​​działanie bakterii na właściwości oscylatora będzie minimalne, przy czym oscylator efektywnie zachowuje się, jak gdyby bakterii nie było.

W ten sposób bakterie skutecznie występują w dwóch stanach ruchu naraz.

Proponowana eksperyment byłby imponujący - ale przede wszystkim pokazuje, że mechanika kwantowa jest prawdziwa dla obiektów większych niż cząstki elementarne. Ale wydaje się mało prawdopodobne, aby odpowiedzieć, czy kot Schrödingera może być żywy i martwy jednocześnie, ponieważ bakteria pozostanie w stałym stanie kriokonserwacji -podobnym do szkła. Gdyby to był kot, to istniałby w letargu, a nie w superpozycji jednoczesnego życia i śmierci.