Wyobraźmy sobie, że bawiąc się z kotem, rzucamy piłkę, która odbija się od ściany. W tym momencie piłka i ściana tworzą układ, który - jeśli tylko zechcemy - możemy opisać za pomocą narzędzi fizycznych. Wystarczą nam do tego informacje na temat części składających się na układ: prędkości piłki, sprężystości ściany etc. Z drugiej strony mając dane na temat piłki i ściany, możemy na tej podstawie odtworzyć ich zachowanie.

Czyż nie jest to oczywiste i intuicyjne? Owszem, jest. Ale wszystko to ulega zmianie w momencie, w którym schodzimy do poziomu mikroświata – świata cząstek, atomów - będącego obszarem zainteresowania fizyki kwantowej.

"Jeżeli mamy tutaj analogiczny układ i posiadamy pełną informację zarówno o jednej, jak i o drugiej cząstce - to mimo wszystko nie możemy już powiedzieć, że równocześnie mamy pełną informację o całym układzie" - mówi PAP dr hab. Wiesław Laskowski z Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytetu Gdańskiego. - "Kwantowe korelacje pomiędzy cząstkami są czymś więcej niż korelacje znane z fizyki klasycznej, opisującej zachowania w makroświecie, znanym z naszego codziennego doświadczenia. Z tego powodu klasyczna teoria nie może tych zjawisk opisać" - dodaje.

I choć sama ta obserwacja nie jest niczym nowym - po raz pierwszy została poczyniona przez Johna Bella jeszcze w 1964 r. - to wciąż trwają prace nad jej pełnym zrozumieniem i stworzeniem coraz lepszych metod opisu zjawisk zachodzących w mikroświecie.

"Nie ma większych problemów, jeśli mamy układ złożony z małej liczby cząstek – dokładniej dwóch. W tej chwili nasza wiedza o takich układach jest już bardzo duża: potrafimy te korelacje wykrywać, mierzyć i charakteryzować" - mówi prof. Laskowski. "Problemy zaczynają się natomiast, kiedy liczba cząstek rośnie. Nie mam tu nawet na myśli tego, że rośnie do jakichś niewyobrażalnie dużych wartości: wystarczy nawet dziesięć cząstek. W tym wypadku aktualnie dostępne narzędzia teoretyczne robią się już bardzo słabo wydajne" - tłumaczy.

Jak dodaje fizyk, jest to swego rodzaju paradoks. "Jeszcze kilka, kilkanaście lat temu było zupełnie odwrotnie. Mieliśmy wówczas bardzo dobrze rozwiniętą teorię, ale trudno było zaobserwować cokolwiek w eksperymencie" - opowiada. - "Teraz sytuacja się odwróciła. Technologia tak mocno posunęła się do przodu, że możliwe jest obserwowanie pewnych stanów kwantowych, które ciężko jest scharakteryzować teoretycznie."

Prof. Laskowski jest laureatem grantu Beethoven przyznawanego przez Narodowe Centrum Nauki, w ramach którego zrealizuje projekt "Korelacje kwantowe - od kilku do wielu cząstek". Głównym celem prowadzonych w ramach projektu badań będzie stworzenie wydajniejszych teoretycznych narzędzi, za pomocą których będzie można opisać korelacje w eksperymentach z wieloma cząstkami. Z jednej strony pozwoli to lepiej poznać fundamenty mechaniki kwantowej, z drugiej strony może znaleźć zastosowanie w lepszym przetwarzaniu informacji i bardziej precyzyjnych pomiarach. W tych dziedzinach korelacje kwantowe traktowane są jako zasób.

Niemieckim partnerem projektu jest grupa naukowców z Uniwersytetu w Monachium, kierowana przez prof. Haralda Weinfurtera. Prof. Laskowski współpracuje z nią od ok. 15 lat. "Powiedziałbym, że najmocniejszym punktem tej współpracy jest pewnego rodzaju komplementarność" - stwierdza rozmówca PAP. - "My w Gdańsku jesteśmy fizykami-teoretykami, natomiast fizycy z Monachium to eksperymentatorzy. Chcemy połączyć ze sobą te dwie rzeczy: aby ta teoria, która będzie w projekcie przez nas wytwarzana, od razu mogła być przekładana na język eksperymentu, weryfikowana i demonstrowana" - dodaje.

"Obecnie pojawiły się już możliwości wykorzystania pewnej przewagi korelacji kwantowych nad klasycznymi" - kontynuuje rozmówca PAP. "Mam tu na myśli przede wszystkim dziedzinę przetwarzania informacji: dzięki wykorzystaniu korelacji kwantowych można przetwarzać informacje szybciej, bezpieczniej i wydajniej niż w przypadku klasycznych metod."

Własności korelacji kwantowych są już wykorzystywane m.in. w generatorach liczb losowych czy w tworzeniu i przesyłaniu kluczy kryptograficznych. "Pozwalają nam generować ciągi liczb, które są fundamentalnie przypadkowe, na poziomie nieosiągalnym przy wykorzystaniu klasycznych generatorów komputerowych" - tłumaczy prof. Laskowski.

Z kolei w dłuższej perspektywie badania te mogą pomóc w zrealizowaniu projektu komputera kwantowego. "Od komputerów czysto kwantowych dzieli nas jednak jeszcze daleka droga. Tego typu układy są słabo odporne na zakłócenia ze środowiska" - zaznacza fizyk. - "W naszym projekcie hasło +komputer kwantowy+ nigdzie wprost się nie pojawia. Jednak wszystkie narzędzia i idee, które podczas tych badań powstaną, mogą ostatecznie przysłużyć się realizacji wizji takiego urządzenia" - dodaje.

autor: Katarzyna Florencka

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ ekr/