Splątanie kwantowe jest jednym z najbardziej fundamentalnych, a jednocześnie najbardziej nieintuicyjnych zjawisk we współczesnej fizyce. Polega ono na tym, że stany dwóch cząstek stają się ze sobą nierozerwalnie powiązane – wynik pomiaru jednej natychmiast determinuje stan drugiej, niezależnie od ich odległości. Ten efekt stanowi jeden z filarów mechaniki kwantowej i był źródłem filozoficznych debat już od lat 30. XX wieku, kiedy został opisany w kontekście tzw. paradoksu EPR (Einstein–Podolsky–Rosen) oraz przez Erwina Schrödingera — w tamtym czasie wielu fizyków sceptycznie odnosiło się do jego realności.
Do tej pory eksperymenty potwierdzające splątanie dotyczyły głównie stanów wewnętrznych cząstek (takich jak polaryzacja fotonów czy spin atomów) albo cząstek bez masy. Ostatnie badania prowadzone przez fizyków z australijskiego uniwersytetu Australian National University (ANU) otwierają nowy rozdział – po raz pierwszy udało się obserwować splątanie kwantowe w stanach ruchu masywnych atomów helu, a nie tylko ich cech wewnętrznych.
Splątanie ruchowe atomów – co odkryto
W eksperymencie naukowcy wykorzystali ultrazimne atomy helu, które po zderzeniu tworzyły pary atomów o skorelowanym pędzie. Taki układ został przygotowany i schłodzony do temperatur, w których zjawiska kwantowe zaczynają dominować nad klasycznym zachowaniem materii. Dzięki specjalnej aparaturze – adaptacji interferometru typu Rarity–Tapster oraz formalizmowi testów nierówności Bella – zespół był w stanie wykazać, że stany ruchowe tych atomów są splątane w sensie kwantowym.
To znaczący postęp, ponieważ dotychczasowe testy nierówności Bella z powodzeniem udowadniały splątanie między fotonami albo wewnętrznymi stanami atomów, ale nie w ich ruchu w przestrzeni.
Splątanie ruchowe oznacza, że pomiar pędu jednego atomu determinuje wynik pomiaru pędu drugiego – i to nawet, gdy atomy są rozdzielone przestrzennie. Taka nielokalna korelacja jest niezależna od dystansu między nimi, co przeczy zdroworozsądkowym wyobrażeniom o tym, jak powinny zachowywać się obiekty materialne.
Dlaczego to jest ważne
Rozszerzenie obserwacji splątania na ruch istotnie masywnych cząstek, takich jak atomy helu, ma ogromne znaczenie dla dalszego rozwoju fizyki fundamentalnej.
Po pierwsze, otwiera możliwość badania tego, jak zachowania kwantowe łączą się z grawitacją i ogólną teorią względności – dwoma filarami współczesnej fizyki, które jak dotąd są ze sobą fundamentalnie niezgodne w skali teoretycznej.
Po drugie, splątanie motionalne może stać się narzędziem do tworzenia nowych typów sensorów kwantowych i testowania zasad mechaniki kwantowej w obecności pola grawitacyjnego.
Co więcej, osiągnięcie to jest kolejnym krokiem w kierunku zrozumienia, czy zasady kwantowe i ogólne ujęcie fizyki, obejmujące grawitację, można połączyć w spójną teorię obejmującą wszystkie znane interakcje – tak zwaną „teorię wszystkiego”.
Kontekst i perspektywy
Wynik ten wpisuje się w długą historię badań nad splątaniem i nielokalnością – od pierwszych teoretycznych przewidywań do coraz bardziej wymyślnych eksperymentów z fotonami, atomami i nawet makroskopowymi układami. Dotychczas badania skupiały się na stanach wewnętrznych i cząstkach bez masy – teraz mamy dowód, że również ruch materii może wykazywać najdziwniejsze cechy mechaniki kwantowej.
To odkrycie może inspirować kolejne eksperymenty, które będą badały wpływ pól grawitacyjnych na stany kwantowe oraz próbowały wykorzystać splątanie w technologiach takich jak komputer kwantowy czy kwantowe szyfrowanie.
