Granica między egzotyczną rzeczywistością kwantową a tą klasyczną wcale nie musi być tak ostra, jak mogłoby się wydawać - wynika z obliczeń przeprowadzonych przez krakowskich naukowców. Fizycy teoretyczni z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie oraz matematyk z Instytutu Matematyki Uniwersytetu Jagiellońskiego (IM UJ) wykazali, że światy te mogą mieć ze sobą więcej wspólnego, niż można byłoby przypuszczać. W publikacji zamieszczonej w zbiorze artykułów "Coherent States and Their Applications: A Contemporary Panorama" (DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-76732-1_5) opisali oni wyjątkowe stany kwantowe układu dwóch cząstek, wykazujące jednocześnie cechy i klasyczne, i kwantowe.

Jak tłumaczy IFJ PAN w przesłanej PAP informacji prasowej, nasz codzienny - klasyczny - świat dramatycznie różni się od świata kwantów. W tym pierwszym w zasadzie wszystko da się precyzyjnie zmierzyć i przewidzieć. Każdy obiekt klasyczny istnieje tu w konkretnym miejscu przestrzeni, w konkretnym stanie - i nie jest zdolny do natychmiastowej reakcji na to, co się dzieje z innymi, oddalonymi od niego obiektami. Tymczasem w świecie kwantów zamiast pewności mamy tylko prawdopodobieństwo, obiekty mogą przebywać w różnych miejscach i stanach jednocześnie, a dzięki zjawisku splątania kwantowego wydają się natychmiast reagować na to, co się stało z ich dowolnie odległymi partnerami.

Powszechnie uważa się, że w świecie klasycznym efekty kwantowe są niezauważalne i opisując układ klasyczny można je bezpiecznie pominąć.

Takie myślenie prowadzi jednak do naiwnego poglądu, że jeśli coś zachowuje się klasycznie, to nie zachowuje się kwantowo – i odwrotnie. W rzeczywistości tak nie jest. Świat klasyczny jest bowiem światem układów złożonych z ogromnej liczby obiektów kwantowych, a jego obserwowalne na co dzień własności są - jak głosi zasada korespondencji - granicznym przypadkiem własności tych ostatnich. Zrozumienie natury tego przejścia granicznego nie jest proste i fizycy wciąż mają na tym polu wiele do zrobienia.

"W naszych rozważaniach zajęliśmy się problemem postawionym ponad 80 lat temu przez jednego ze współtwórców mechaniki kwantowej, Erwina Schrödingera. Chodzi o możliwość współistnienia w jednym układzie kwantowym własności oddzielnie uważanych za kwantowe bądź klasyczne" - mówi dr hab. Katarzyna Górska z IFJ PAN, cytowana w informacji prasowej. "Spróbowaliśmy znaleźć odpowiedź na pytanie, czy mogą one występować naraz, czy też się wzajemnie wykluczają. Wspólnie z prof. dr. hab. Franciszkiem Szafrańcem z Instytutu Matematyki UJ wykazaliśmy, że w układzie dwóch cząstek kwantowych pewne cechy klasyczne i kwantowe rzeczywiście mogą pokojowo koegzystować".

Sztandarową ilustracją nieintuicyjności świata kwantów jest słynna zasada nieoznaczoności Heisenberga. Mówi ona, że dla żadnej cząstki (dla uproszczenia: o ustalonej masie) nie można jednocześnie zmierzyć z dowolną precyzją położenia i prędkości. Jeśli znamy dokładnie położenie cząstki, nie będziemy wiedzieli nic o jej prędkości; jeśli znamy dokładnie prędkość, nie będziemy potrafili wskazać położenia. Co więcej, niepewność pomiarów zależy od stanu, w którym znajduje się cząstka, a ponieważ cząstki kwantowe mogą być w różnych stanach - to i niepewności mogą być różne.

Stany, w których zasada nieoznaczoności Heisenberga jest zminimalizowana, są nazywane koherentnymi i wykazują bardzo duże podobieństwo do stanów obserwowanych w układach klasycznych.

Z kolei podstawową własnością układów kwantowych jest ich zdolność do superpozycji, czyli przebywania w stanie będącym kombinacją pewnych szczególnych (a przy tym obserwowalnych) stanów zwanych bazowymi. W świecie klasycznym taka kwantowa superpozycja nie występuje - fizycy z IFJ PAN proponują jednak, aby spróbować ją sobie wyobrazić za pomocą dość intuicyjnego przykładu: monety wirującej na stole. Moneta jest tu w stanie przypominającym superpozycję dwóch stanów bazowych: orła i reszki. Możemy nawet dokonać "pomiaru", czyli docisnąć wirującą monetę do blatu (lub poczekać, aż zrobi to za nas grawitacja).

Niszczymy wtedy superpozycję i moneta przeskakuje do jednego z dwóch, jak najbardziej klasycznych, stanów: leży ku górze albo orłem, albo reszką.

"Powyższa analogia jest dalece niepełna" - zaznacza dr hab. Andrzej Horzela z IFJ PAN. "Moneta jest obiektem klasycznym i gdy wiruje, orzeł i reszka cały czas istnieją niezmienione, moneta zaś jedynie nie potrafi wybrać między nimi. W układzie mamy więc tak naprawdę trzy istotnie różne stany. Tymczasem w superpozycji kwantowej jest tylko jeden stan. Przywołując analogię do wirującej monety powinniśmy w nim widzieć jakąś formę orłoreszki, a może reszkoorła. Coś, co umyka naszym wyobrażeniom, klasycznej intuicji, a może nawet zdrowemu rozsądkowi. A co zrobić, jeżeli nasz stan kwantowy jest na dodatek stanem koherentnym, a więc uważanym za najbliższy stanom klasycznym, w których zawsze mamy albo orła, albo reszkę?" - dodaje.

Splątanie jest uważane za najważniejszą oznakę kwantowości układu, koherentność – za cechę sygnalizującą bliskość klasyczności. Stany znalezione przez krakowskich fizyków są - przynajmniej w sensie matematycznym - jednocześnie i koherentne, i splątane w odniesieniu do całego układu obu cząstek.

"Stany kwantowe o podobnej naturze były rozważane już wcześniej" - zaznacza dr Horzela. "Wytwarzano je nawet doświadczalnie, zaczynając od dwóch stanów koherentnych, które następnie plątano. Tak otrzymany stan jest splątany, ale jako całość nie musi być koherentny. Nasze stany są skonstruowane w sposób zapewniający, że pozostają one jednocześnie koherentne (czyli minimalizują zasadę nieoznaczoności) i splątane. Zatem można je interpretować jako obiekty, które przejawiają własności z jednej strony bliskie klasyczności, a z drugiej uważane za typowo kwantowe. Przejawem ich kwantowości jest to, że opisują układ dwóch cząstek, których nie można rozdzielić nawet wtedy, kiedy cząstki te nie oddziałują ze sobą" - tłumaczy.

Wynik krakowskich naukowców ma charakter matematyczny. Otwarte pozostaje pytanie, czy znalezione stany można wytworzyć w laboratorium. Badacze z IFJ PAN oceniają, że nie wydaje się, aby istniały przeciwskazania, które mogłyby uniemożliwić ich istnienie.

"Ostateczną odpowiedź przyniesie jednak tylko doświadczenie. Eksperymentatorzy, zwłaszcza optycy kwantowi, mają więc szerokie pole do popisu" - czytamy w komunikacie prasowym.

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ ekr/