Splątanie kwantowe, czyli jedna z największych zagadek współczesnej fizyki

Wkraczamy na grząski grunt fizyki kwantowej, na którym twierdzenie "wiem, że nic nie wiem" to niedomówienie roku, a raczej powinienem rzec "wiem, że nie wiem, czego nie wiem" albo "wiem mniej niż zero".
Dzisiaj chciałbym opowiedzieć o splątaniach kwantowych, czyli o jednym z najbardziej tajemniczych i niezrozumiałych zjawisk we wszechświecie. Należałoby tu od razu podkreślić, że mówimy o dopiero kiełkującej gałęzi fizyki, w której nadal nie potrafimy wyjaśnić wielu obserwowanych zjawisk.
Możemy opisać pewne obserwowane efekty, często jednak nie mamy nawet niepotwierdzonej hipotezy o ich naturze.
Najlepszym przykładem jest tutaj splątanie kwantowe.

Czym jest splątanie kwantowe? Cytując pewnego profesora fizyki, "a cholera je wie".
No to może inaczej? Jaki jest efekt splątania kwantowego?

Żeby zrozumieć działanie splątania kwantowego, musimy odwołać się do cząstek elementarnych.
Ja piszę ten tekst na komputerze, który składa się z różnych podzespołów. One z kolei z pojedynczych chipów, wreszcie elementów elektrycznych, metali. Metale składają się z cząsteczek, cząsteczki z atomów.
Pojedyncze atomy składają się z jądra i krążących elektronów. Jądro składa się z protonów i neutronów. Neutrony i protony składają się z kwarków.
Stop! Można to wyliczenie prawdopodobnie ciągnąć niemal w nieskończoność, ale nam więcej nie trzeba, kwarki powinny być wystarczająco małe, by opisać zjawisko splątania kwantowego.

Zasadniczo do opisu każdej cząstki elementarnej powinno wystarczyć pięć parametrów: masa, ładunek, moment magnetyczny, spin oraz trwałość.
Warto zauważyć, że nie podałem tu żadnych wymiarów. Dlaczego? Nie wiadomo czy cząstki elementarne mają jakikolwiek wymiar w sensie nam znanym, to znaczy czy można podać średnicę czy cokolwiek. Różne doświadczenia dawały sprzeczne wyniki, obecnie panuje przekonanie, że albo nie istnieje możliwość zmierzenia cząstki elementarnej, albo też jej promień jest mniejszy, niż dziesięć do minus dwudziestej drugiej metra.
Co bardziej spostrzegawczy pewnie już zauważyli, że pierwsze trzy parametry są niczym innym, jak wskaźnikiem siły oddziaływania cząstki – grawitacyjnego (masa), elektrycznego (ładunek) i magnetycznego (moment magnetyczny).
Trwałość cząstki to nic innego, jak średni czas, po którym się ona rozpada, jeżeli nie jest związana z inną.
Pozostaje spin. I to właśnie z tym nieszczęsnym spinem związane są splątania kwantowe.

Czym jest spin cząstki elementarnej?
W fizyce klasycznej spin definiujemy jako moment pędu cząsteczki nie wynikający z jakiegokolwiek jej obracania się, czyli, obrazowo mówiąc, moment pędu samoczynnego wirowania cząsteczek podczas wykonywania ruchu.
Powyższe jest ogromnym przybliżeniem nadającym się co najwyżej na potrzeby fizyki szkolnej, ale żeby zrozumieć kwantową naturę cząstki trzeba na to pojęcie spojrzeć nieco szerzej.

Pewnym wyobrażeniem problemu spinu cząsteczki jest wizualizacja czy też abstrakcja.
Wyobrażamy sobie pewną przestrzeń, nazywaną ASS (z angielskiego Abstract Spin Space (abstrakcyjna przestrzeń spinowa)).
Zakładamy, że cząsteczka ta niezależnie od jakichkolwiek obserwowanych ruchów wiruje w tej abstrakcyjnej przestrzeni. Jest to oczywiście tylko pewna projekcja działająca na wyobraźnię, ale przyznam uczciwie, że ze wszystkich znanych mi opisów intuicyjnych spinu przemawia do mnie najlepiej.
Pozwolę sobie tutaj pominąć całą dygresję matematyczną i pomówić o efektach.
Okazuje się, że dana cząstka elementarna może przyjąć pewną stałą liczbę spinów, np. 2, 9.
I tu właśnie możemy wrócić z tematyki budowy materii do stanu splątanego.

Albert Einstein nazwał stan splątany upiornym oddziaływaniem niemożliwym do opisania na stan ówczesnej mu wiedzy, współczesnej nam z resztą także.
Gdyby nie potwierdzenie doświadczalne występowania tego zjawiska i niezależne obserwacje w wielu laboratoriach prawdopodobnie nikt nie uwierzyłby, że coś takiego jest w ogóle możliwe.

Albert Einstein udowodnił, że żadne cząsteczki posiadające rzeczywistą masę nie mogą poruszać się szybciej od światła. Ze względu na cząsteczkową naturę świata oznacza to, że żaden sygnał nie może przekroczyć prędkości fotonów w próżni.
Fizyka kwantowa przewiduje także istnienie tachionów, cząsteczek o masie urojonej, które poruszają się szybciej, i tylko szybciej, od światła.
Istnieje także kilka innych wyjątków powyższej zasady możliwych do wyjaśnienia współczesną fizyką, na tunelach czasoprzestrzennych zaczynając, a na ekstensji przestrzeni kończąc.
Nijak ma się to jednak do splątania kwantowego.

Stan splątany to sytuacja, w której jedna lub kilka pojedynczych cząstek lub ich grup określona jest wspólną polaryzacją, a łatwiej mówiąc, ma identyczny spin… W tym samym momencie… Jeden… Niezależnie od odległości…
Żeby zrozumieć to zjawisko, weźmy sobie foton, czyli cząsteczkę światła.
Jeżeli mamy dwa splątane ze sobą fotony, nawet gdyby znajdowały się milion lat świetlnych od siebie, w chwili gdy jeden z nich zmieni spin, natychmiastowo spin zmieni i drugi.
Dlaczego? Już mówiłem, "cholera je wie".

Istnienie stanu splątanego postulowali fizycy już w 1935 roku, pierwsza udana obserwacja to natomiast rok 1998.

Jak to działa w praktyce?
Najprostszym przykładem splątania kwantowego jest doświadczenie, jakie można wykonać nawet w domu, choć oczywiście po pierwsze mało kto domyśli się, że właśnie uzyskał efekt fizyką nieopisywalny. Bez fachowej aparatury jednak i tak niczego nadzwyczajnego nie zaobserwujemy.
Światło to fala elektromagnetyczna.
Zgodnie z równaniami Maxwella, tak naprawdę światło to nachylone do siebie pod pewnym kątem (w idealnych warunkach jest to kąt prosty) zamieniające się miejscami pole elektryczne i magnetyczne. Pole magnetyczne wytwarza nachylone pod kątem pole elektryczne, które z kolei wytwarza znów nachylone pod kątem pole magnetyczne. Tak więc światło to nic innego jak naprzemiennie nakładające się pola elektryczne i magnetyczne, stąd też nazwa fala elektromagnetyczna.
O polaryzacji fali mówimy w sytuacji, gdy płaszczyzna tych przemian zostanie ograniczona np. tylko do pionu lub poziomu (polaryzacja pionowa i pozioma).
Światło niespolaryzowane to takie, które ulega przemianom we wszystkich płaszczyznach.
Uzbrojeni w tą wiedzę możemy przystąpić do zaprojektowania doświadczenia, które udowodni istnienie splątania kwantowego między dwoma cząsteczkami światła.

Przez wiele lat fizycy zastanawiali się, jak spełnić warunek splątania kwantowego, który brzmi w uproszczeniu następująco:
Splątanie kwantowe zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy w tym samym punkcie czasoprzestrzeni wytwarzane są co najmniej dwie cząsteczki o takich samych własnościach kwantowych.
Innymi słowy, nie dość że muszą powstać w tym samym miejscu, to jeszcze w tym samym czasie.
I tu się pojawiła zagwostka. Postulowano nawet, że splątanie kwantowe właśnie dlatego nie zgadza się z obliczeniami i jest niewyjaśnialne, że po prostu nie może powstać ze względu na naturę świata, bo jak tu jednocześnie uzyskać dwie cząsteczki?
Niestety albo stety splątanie istnieje, a uzyskać można je łatwiej, niż większość fizyków przypuszczała. W sumie to nie trzeba na to sprzętu za miliardy dolarów ani reaktora jądrowego, wystarczy kryształ kalcytu i niespolaryzowane źródło światła, zazwyczaj jest to odpowiedni laser.
Podkreślam tutaj, że opisywane przeze mnie doświadczenie jest przykładem splątania kwantowego bardzo prostego i mającego w zasadzie zerową użyteczność prócz ciekawostki naukowej. Istnieją jednak metody na uzyskanie o wiele bardziej złożonych struktur, a opisywany proces jest jedynie zobrazowaniem istoty splątania kwantowego.

Natura kalcytu sprawia, że gdy na jego kryształ padnie wiązka niespolaryzowanego światła, powstaną z niej dwie: spolaryzowana pionowo i poziomo. To zjawisko było w fizyce znane od dawna, nikt jednak przez bardzo długi czas nie wpadł na to, iż wiązki te powstają w krysztale w momencie przechodzenia przez niego fotonów, w tym samym miejscu i czasie. Coś wam to przypomina?
Tak, między opuszczającymi kalcyt wiązkami światła powstaje splątanie kwantowe. Bez huku i dymu, bez fajerwerków.
Jak widać pewne trudne zagadnienia fizyki wcale nie wymagają sprzętu godnego CERNu i obserwujemy je wielokrotnie nie wiedząc, co widzimy.

No dobrze, ale co wynika z tego splątania kwantowego? Noo, są dwie wiązki, niby splatane, ale co z tego? Co to daje, co to robi?
A no gdy rozdzielić te wiązki i oddalić na bardzo dużą odległość, przemiany ich polaryzacji będą zachowane, natychmiastowo.
W doświadczeniu, o którym pisałem, wiązki takie przesłano na odległość 15km od siebie.
Jakakolwiek zmiana spinu jednej z nich natychmiastowo powodowała zmianę drugiej. Badając stan jednej, natychmiast poznajemy w tym samym momencie stan drugiej.
Teoria splątania kwantowego została potwierdzona, a twórcy doświadczenia otrzymali nagrodę Nobla.

Oczywiście, w warunkach domowych nie mamy aparatury, by powyższe własności zaobserwować, co więcej, nasze fotony, cząsteczki światła, natychmiast zaczną reagować ze wszystkim dookoła, co sprawi, że splątanie kwantowe zostanie niemalże natychmiast zerwane. Mimo wszystko jednak powstaje tam, gdzie nikt by się go nie spodziewał.

Dziś, dwadzieścia lat po pierwszej obserwacji, fizycy dysponują o wiele bardziej kojarzącymi się z zaawansowanymi laboratoriami metodami.
Najpowszechniej stosowaną metodą uzyskiwania splątania kwantowego jest wzbudzanie wapnia poprzez rozpędzanie elektronów na jego orbitach tak, by emitowane były jednocześnie dwa fotony. W tym artykule nie będę jednak omawiał tego doświadczenia, gdyż jest już ono bardziej złożone, miast tego przejdę do znaczenia splątania kwantowego w praktyce.

Pewnie czytając ten artykuł wielu podejrzewało, że zacznę od możliwych do skonstruowania za kilkadziesiąt lub kilkaset lat cudownych wynalazków. A co jeśli powiem, że splątanie kwantowe wykorzystywane jest już dziś?
Pierwsze praktyczne zastosowanie splątania kwantowego zaproponował Stephen Wiesner jeszcze przed przeprowadzeniem powyższych doświadczeń, bo w 1983r. To też jest ważny argument w dyskusji o tym, że nie ma zdaniem niektórych sensu szukanie zastosowań dla teorii niepotwierdzonych.
Na podstawie tych prac powstało kilka konceptów, obecnie stosowany został zaproponowany przez studenta Uniwersytetu Jagiellońskiego, Artura Ekert. Tak, powtarzam i radzę zarejestrować, pierwsze w historii wykorzystanie praktyczne splątania kwantowego udokumentował, a następnie zrealizował Polak.
Ale, ale… Co to za zastosowanie?
Nazywamy je QKD (Quantum Key Distribution), czyli kwantową dystrybucją klucza.
Jest to zastosowanie związane z informatyką, a konkretnie szyfrowaniem. Nie wchodząc w zawiłości techniczne, których jest wiele, jest to metoda pozwalająca na wymianę klucza szyfrowania danych z użyciem splątania kwantowego.
Dzięki temu, mając powiedzmy dwa instytuty wymieniające dane, splatamy kwantowo jakieś dwie cząsteczki i po jednej przekazujemy każdemu z ośrodków.
Dzięki temu, że w splątaniu kwantowym nie ma żadnego nadawania czy przekazywania między nimi fal radiowych czy też innej formy promieniowania, nie ma żadnej możliwości podsłuchania transmisji.
Jako, że zmiany stanu cząsteczek są losowe, przy dostatecznie dużej ich ilości możemy uzyskać niezwykle złożone klucze kryptograficzne.
Teraz w chwili nadawania transmisji informujemy drugą stronę: uwaga, polecą dane zaszyfrowane kluczem z godziny dokładnie takiej, tutaj niezwykle ważna jest synchronizacja czasu, bo stan kwantowy zmienia się błyskawicznie i utrzymanie się jednego konkretnego stanu liczymy w miliardowych częściach sekundy.
Teraz nasz zaszyfrowany pakiet danych możemy nadać bezpiecznie drogą radiową, wysłać przez Internet, a nawet gdy hakerzy przejmą transmisję, nie będą znali klucza wymaganego do zdeszyfrowania informacji.
Dane zaszyfrowane są zatem kluczem, który obydwie strony znają, posiadając zbiór splątanych cząsteczek. Nie ma tu zawodnej generacji klucza z wykorzystaniem pseudolosowania, jest to prawdziwa kwantowa wartość losowa. Nie ma szans na podsłuch klucza bez fizycznego dostępu do cząstek.
QKD to najbezpieczniejsza znana informatyce metoda szyfrowania.
Oczywiście, bądźmy szczerzy, takie coś można złamać. Choć nie poznamy klucza, można próbować po prostu wszystkich kombinacji. Wystarczająco wydajny komputer będzie w stanie złamać takie szyfrowanie, a poza tym zawsze można trafić przypadkiem losowy klucz.
Dlatego też wykorzystywane klucze nie składają się z kilku cyfr, a z tysięcy, a nawet milionów tak, by nawet najszybsze komputery na świecie potrzebowały dziesiątek lat na złamanie jednej transmisji.
Pierwsza implementacja praktyczna tej metody szyfrowania miała miejsce w Austrii w 2008 roku, po niej zaś pora przyszła na Chiny (2009), Japonię (2010) oraz Stany Zjednoczone (2011).
Mówiąc "implementacja praktyczna" mam na myśli używaną w celach wymiany prawdziwych informacji, na przykład rządowych, bo małe sieci testowe i eksperymentalne znajdują się dziś w niemal każdym kraju Europy. Pewną ironią jest, ze w Polsce takiej sieci póki co nie mamy, a Artur Ekert zmuszony był realizować swój projekt w Wielkiej Brytanii we współpracy z Oxfordem.

W literaturze fikcji naukowej często splątania kwantowe wiążą się z komunikacją nadświetlną. Jak się ma to do rzeczywistości?
Prawdą jest, że splątanie kwantowe, choć nie wiemy dlaczego, pozwala na przekazywanie stanu cząsteczki z prędkością większą od prędkości światła, zostało to potwierdzone doświadczalnie w 2013 roku.
Największa odległość, na którą do tej pory oddalono splątane ze sobą cząstki, wyniosła 1200km, to Chiński rekord z czerwca 2017 roku.
Z obliczeń wynika, że splątanie kwantowe może być zachowane niezależnie od odległości. Nie ma na razie żadnych pobudek, by obalić tą tezę.
Można więc śmiało przypuszczać, że ewentualny statek kosmiczny mógłby zabrać na pokład cząsteczkę, raczej nie foton, trudno utrzymać światło, ale na przykład kwark lub kilka kwarków, splątanych wcześniej z innymi kwarkami pozostawionymi na Ziemi. Można także zaryzykować twierdzenie, iż nawet gdy statek oddali się od Ziemi na całe lata świetlne, splątanie będzie utrzymane, a zmiana jednej cząsteczki natychmiast spowoduje zmianę drugiej.
Nie ma jednak póki co żadnego pomysłu, w jaki sposób wykorzystać tą metodę w praktycznej komunikacji. Zmiana spinu jednej cząstki jest losowa. To trochę tak, jakbyśmy chcieli skontaktować się ze znajomym z Anglii i rzucili monetą.
Dokładnie wiedziałby, co na tej naszej monecie wypadło, np. orzeł. My jednak dowiedzielibyśmy się o tym także dopiero w momencie rzutu.
Innymi słowy, będziemy wiedzieli, iż wyrzuciliśmy orła. Ale co z tego?
Nie ma pomysłu na żadną metodę wykorzystania splątania kwantowego w jakiejkolwiek komunikacji, bo nie ma odkrytej metody na zakodowanie wiadomości. Co oczywiście nie znaczy, że taka metoda nie istnieje.
Znaczy to, że przed nami wciąż pozostaje wiele do odkrycia.
Przypominam, że my nawet nie mamy zielonego pojęcia, czym jest to splątanie kwantowe i dlaczego tak działa.
Nie ma żadnej transmisji, żadnego przekazywanego impulsu, a jednak te cząsteczki się przemieniają synchronicznie. I natychmiastowo.
Dlaczego? Bo, cytując protoplastów splątania kwantowego, "cholera je wie".