Podróż z prędkością światła

W kwantowym świecie nieskończenie małych cząstek, dziwne zachowania często przeczą logice. Być może najdziwniejszym z nich jest idea superpozycji, w którym obiekty mogą istnieć jednocześnie w dwóch lub więcej stanach -  pozornie sprzecznie z intuicją. Na przykład, zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, elektrony mogą obracać się zarówno w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, albo być w spoczynku i pobudzone - w tym samym czasie.

Od czasów Schroedingera – autora eksperymentu z jednocześnie martwym i żywym kotem, naukowcy udowodnili, że cząstki rzeczywiście mogą być w superpozycji na kwantowych, subatomowych skalach. Ale czy takie dziwne zjawiska można zaobserwować w naszym codziennym świecie?

Odkryto, że cząstki elementarne zwane neutrino mogą znajdować się w superpozycji, podczas podróży na dystansie setek mil.

Przeanalizowano dane dotyczące oscylacji cząstek neutrino-subatomowych, które bardzo słabo oddziałują z materią, przechodzących przez nasz organizm miliardy razy na sekundę bez żadnego efektu. Neutrina mogą oscylować lub zmieniać się w aspekcie kilku – tak zwanych – „smaków”; robią to podróżując z prędkością światła. Zmiana „smaku” (flavour) możliwa jest, gdyż podczas podróży neutrina nie mają żadnych cech indywidualnych: są w stanie superpozycji, bez smaku i tożsamości. W momencie pomiaru nabierają cech „osobowościowych”.

Co jednak, jeśli te cząstki nie tyle nie miału smaku, co wcielały się w wiele smaków jednocześnie? Były nie tyle duchami, co poruszały się zgodnie z punktem widzenia opartym na realizmie Einsteina.

Stanowi to punkt wyjścia do podróży makroskopowych. 

Budowa obwodów kwantowych

Kot Schrödingera utrzymuje się przy życiu w połowie - wyczyn ten może w zaskakujący sposób pomóc w budowie obwodów kwantowych.

Na szczęście, technika ta nie będzie opierać się na kocie, ale falach elektromagnetycznych, które mogą zachowywać się analogiczne do kota ze znanego eksperymentu myślowego Erwina Schrödingera.

Cząsteczki są zdolne do istnienia w superpozycji stanów lub w dwóch trybach jednocześnie. Foton, na przykład, może być jednocześnie spolaryzowany pionowo i poziomo. Ta superpozycja utrzymuje się, aż do pomiaru, w momencie którego foton wybiera jeden stan.

Schrödinger twierdził, że reguły kwantowe stosują się do świata makroskopowego: kot utknął w zamkniętym pudełku może być jednocześnie żywy i martwy jednocześnie - przynajmniej do momentu otwarcia pudła.

Normalnie, fale elektromagnetyczne zamknięte w pudle będą oscylować na podobieństwo wahadła: tam i z powrotem, ale jest możliwe wprowadzenie odwrotnej fali do owego pudła, co spowoduje powstanie „koto-podobnego” stanu – polegającego na „robieniu” dwóch wykluczających się rzeczy w tym samym czasie.

Eksperyment idzie o krok dalej:  przygotowano dwie wnęki z aluminium, w którym fotony mikrofali mogą podskakiwać. Potem połączono wnęki z kanałem: szafirowym nadprzewodzącym chipem i obwodem aluminiowym, przez który może podróżować sygnał elektryczny.

Pomyśl o tym chipie jak o przełączniku on-off. Gdy przełącznik jest na "on", a kanał jest otwarty, mikrofale wewnątrz będą oscylować w innej częstotliwości niż gdyby był przełączony na "off". Cechą świata kwantowego jest możliwość istnienia swoistego mostku, który łączy „on” z „off” – i wtedy dwie częstotliwości istnieją naraz.

Zasadniczo można zapytać: „Czy jesteś martwy, czy żywy?”, ale to nie dostarczy odpowiedzi na sedno problemu: czy mamy do czynienia z kwantową superpozycją, czy po prostu stworzyliśmy sytuację, kiedy jest 50 % szans na przeżycie.

Zamiast tego zadano pytanie, które ujawnia stan kota bez naruszania badanego układu. Zmierzono liczbę fotonów w polu, wiedząc, że stan kota wykonanego z fal elektromagnetycznych  zawsze składa się z parzystej liczby fotonów.

Kiedy mierzono oddzielnie dwa pudełka, a następnie sumowano, liczba zawsze była parzysta.

To pokazuje, że jeśli połączyć dwa pola, można otrzymać prawdziwy stanu kota Schrödingera.

Realny postęp tego eksperymentu polega na uświadomieniu sobie, iż splątane dwa pudła mogłyby być w rzeczywistości blokami komputera wykorzystującego właściwości superpozycji kwantowych do obliczeń w prędkością błyskawicy – „koto stany” byłyby reprezentowane przez qubity. 

Hilbert Hotel

W 1924 roku matematyk David Hilbert opisał hotel z nieskończoną liczbą pokoi, z których wszystkie są zajęte, ale mimo to: hotel nadal może pomieścić dodatkowych gości. Choć oczywiście nie ma takiej cegły i zaprawy, z której można by zbudować  tego typu hotel, to w nowym artykule, opublikowanym w Physical Review Letters, fizyk Václav Potoček proponuje budowę takiego miejsca przy użyciu wiązki światła.

W eksperymencie myślowym Hilberta dodatkowe pokoje mogą być tworzone w hotelu, który już ma nieskończoną liczbę pokoi, ponieważ menedżer hotelu może po prostu przemieszczać wszystkich obecnych gości do nowego pokoju zgodnie z jakąś regułą; przykładowo: przenosić wszystkich do pokoju o jeden numer wyżej (zostawiając pierwszy pokój pusty) lub przenosić wszystkich do pokoi o numerze dwukrotnie większym niż obecnie zajmowane (tworząc w ten sposób nieskończenie wielką liczbę pokoi pustych o numerach nieparzystych).

W swoim artykule zaproponował dwa sposoby budowy takiego hotelu: teoretyczny i eksperymentalny.

Propozycja teoretyczna wykorzystuje nieskończoną liczbę poziomów energetycznych cząstki w studni potencjału, a demonstracja eksperymentalna wykorzystuje nieskończoną liczbę orbitalnych kątowych stanów pędu światła.

Naukowcy wskazują, że mimo, iż początkowo występuje nieskończona liczba stanów, czyli pomieszczeń, amplitudy numerów pokojów (stanów) można odwzorować do dwukrotności ich pierwotnej wartości, tworząc nieskończoną liczbę dodatkowych stanów. Z jednej strony, zjawisko to jest sprzeczne z intuicją: podwajając nieskończoną ilość rzeczy, mamy nieskończenie wiele więcej z nich. A jednak to nadal ma sens, ponieważ suma wartości nieskończonej liczby rzeczy, w rzeczywistości może być skończona.

Na przykład: stan koherentny lasera składa się z nieskończonego zestawu stanów liczbowych, lecz traktując go jako liczbę fotonów zauważyć można następujące zjawisko: podczas gdy ich liczebność wzrasta w każdym ze stanów,  amplituda zmniejsza się, i pod koniec całkowita suma energii jest skończona.

Wykazano również, że odwzorowania można wykonać nie tylko przez podwojenie, ale także poprzez potrojenie itd. 

Przeszłość zależna od przyszłości

Fizycy teoretyczni, badający zachowanie ultra-zimnych atomów, odkryli nowe źródło tarcia, co stanowi odejście od stuletniego paradoksu.

Tarcie to dotyczy niektórych układów atomów w Kondensacie Bosego-Einsteina (BEC) - stanie kwantowym materii, w którym dopuszczalna jest niezerowa liczba cząstek w zerowej objętości przestrzeni pędów . W tym stanie, dobrze dostrojone pola magnetyczne mogą powodować, iż atomy będą przyciągać się –  nawet po kilka razem - tworząc pojedynczy kompozyt cząstki znany jako „soliton”.

Solitony pojawiają się w wielu dziedzinach fizyki i są wyjątkowo stabilne. Mogą swobodnie podróżować, bez utraty energii lub rozproszenia, pozwalając teoretykom traktować je jako obiekty nie-kwantowe. Solitony złożone z fotonów – zamiast atomów – są wykorzystywane do komunikacji za pośrednictwem światłowodów.

Badanie właściwości solitonów może być owocną ścieżką eksploracji – łączy dwa istotne obszary badań: tarcia i mechaniki kwantowej, jako już ugruntowanej, dobrze przetestowanej teorii.

Początkowo sądzono, iż tarcie w solitonach nie jest możliwe: zakładano taką sposobność, ale z punktu widzenia matematyki było to wykluczone.

Nowa siła tarcia, ujawniona w solitonach, bierze się z mechanizmu analogicznego do  promieniowania emitowanego przez elektron; konsekwencją tego jest to, że elektrony doznają siły tarcia, ponieważ są przyspieszane – w omawianym przypadku: emisja promieniowania elektronu zostaje zastąpiona absorpcją i emisję kwantowych quasi-cząstek.

W sercu tej siły tarcia kryje się jednak problem. Układając równania opisujące ruch solitonu, okazuje się, że ten ruch zależny jest od wydarzeń w przyszłości - wynik, który odwraca standardową koncepcję przyczynowości. Jest to sytuacja, która zadziwia fizyków od dziesięcioleci.

Zespół wytropił pochodzenie tych prognoz czasowych i obalił ów paradoks. Problem wynika z faktu, iż w obliczeniach przyjmowano, że siły tarcia zależne są tylko od aktualnego stanu solitonu. Jeżeli natomiast zależeć mają również od jego przeszłych trajektorii, paradoks znika. Tak więc, z punktu widzenia mechaniki kwantowej, przechowywana jest pamięć o ścieżce ruchu solitonu - zależność od historii solitonu prowadzi do prawie tych samych równań regulujących jego ruch, a równania te wciąż zawierają nowe tarcie