Bizarerii cuanticeImaginaţi-vă că aţi comandat mai multe vaze de sticlă având diferite culori. Fiecare vază este expediată separat. Ce părere v-aţi face despre serviciul de curierat dacă pachetele ajung la dumneavoastră aparent intacte, dar atunci când le deschideţi constataţi că toate vazele roşii sunt intacte şi toate cele verzi sunt sparte în bucăţi?

 

 

 

 

Fizicienii de la University of Warsaw şi din cadrul Gdansk University of Technology au demonstrat că atunci când informaţiile cuantice sunt transmise natura poate fi la fel de capricioasă precum serviciul de curierat descris mai sus.

Experimentele efectuate asupra fotonilor individuali, realizate de fizicienii din Faculty of Physics din cadrul University of Warsaw (FUW) şi Faculty of Applied Physics and Mathematics din cadrul Gdansk University of Technology (PG) au scos la iveală o nouă caracteristică contraintuitivă a lumii cuantice. Atunci când se transmite un obiect cuantic, proprietatea sa cuantică, adică dacă acesta se comportă ca o undă sau ca o particulă, pare a depinde de alte proprietăţi care, la o primă vedere, nu au nimic de-a face cu transmiterea acestuia. Aceste rezultate surprinzătoare au fost publicate în revista de cercetare Nature Communications.

Realitatea cuantica

Un singur foton se poate deplasa de-a lungul ambelor braţe ale unui interferometru, în acelaşi timp. Chiar dacă nu cunoaştem în ce direcţie se deplasează acesta de-a lungul interferometrului, noi putem constata apariţia fenomenului de interferenţă a luminii şi a unor franje de interferenţă. Un semnal puternic este vizibil atunci când se întâlnesc maximele de amplitudine ale undelor de lumină şi un semnal slab este obţinut în punctul de întâlnire al minimelor de amplitudine ale undelor de lumină. Dacă este posibil să aflăm pe care braţ al interferometrului se deplasează fotonul, urmărind pierderea de informaţii din cadrul interferometrului, atunci franjele dispar. Credit: NLTK/Tentaris/Maciej Frolow.


Experimentele de interferenţă ale undelor sunt unele dintre cele mai simple şi mai elegante şi ele pot fi efectuate de aproape oricine. Atunci când un fascicul laser este îndreptat către o placă cu două fante putem observa o secvenţă de franje luminoase şi întunecate. Se cunoaşte de mult timp că aceste franje sunt vizibile chiar şi atunci când prin fante trec doar particule individuale cum ar fi electroni sau fotoni. Fizicienii presupun că fiecare particulă individuală prezintă proprietăţi ale unei unde care trece prin ambele fante simultan şi interferă cu ea însăşi.

Situaţia este foarte diferită atunci când este posibil să detectăm calea urmată de un anumit foton sau electron pentru a determina prin care fantă a trecut particula, cel puţin în principiu. Când informaţia cu privire la calea urmată de particulă ajunge din sistem la observator, interferenţa dispare şi nu se mai formează modelul franjelor de interferenţă.

Pentru ca fotonii să interfereze trebuie ca lungimile lor de undă să fie identice, în timp ce electronii trebuie să aibă aceeaşi energie. Cu toate acestea, particulele cuantice mai au şi alte proprietăţi. De exemplu, ele se pot polariza (câmpul lor electric oscilează într-un anumit plan) sau prezintă diferite orientări ale spinului (o proprietate cuantică care descrie dinamica unui obiect aflat în repaus).

„Până în prezent s-a presupus, în general, că aceste proprietăţi suplimentare, cum ar fi spinul şi polarizarea, nu au o influenţă asupra interferenţei. Ne-am decis să studiem subiectul mai în profunzime şi am fost surprinşi de ce rezultate am obţinut", spune prof. Konrad Banaszek (FUW).

Într-o primă fază a experimentelor efectuate de fizicienii de la University of Warsaw şi Gdańsk University of Technology s-au generat fotoni în pereche (heralded photons). „Numele lor sună complicat, dar ideea în sine este simplă", aşa cum declară prof. Czeslaw Radzewicz (FUW). „Putem genera fotoni printr-un proces în care aceştia trebuie să apară în pereche. Atunci când înregistrăm apariţia unui singur foton putem fi siguri că cel de-al doilea, de asemenea, a apărut şi noi cunoaştem proprietăţile sale cum ar fi direcţia de propagare sau lungimea sa de undă fără a-l distruge. Cu alte cuvinte, noi vom folosi un singur foton care să anunţe generarea celui de-al doilea foton".

Fiecare foton pereche a fost direcţionat spre un interferometru care conţine două cristale de calcit. În primul cristal fotonul a fost divizat şi apoi trimis prin ambele braţe ale interferometrului în acelaşi timp. În fiecare braţ cercetătorii au modificat polarizarea fotonului (planul de oscilaţie al câmpului său electric) prin introducerea de zgomot. În cel de-al doilea cristal de calcit s-au recombinat direcţiile de deplasare ale fotonilor pentru a se obţine un set distinct de franje de interferenţă, cu condiţia ca sistemul să nu piardă informaţii cu privire la braţul prin care s-a deplasat fotonul. Într-o etapă finală a experimentului s-au măsurat franjele de interferenţă folosind fotodiode de siliciu în avalanşă.

„Am fost capabili să utilizăm măsurătorile franjelor de interferenţă pentru a determina cât de multă informaţie s-a scurs din sistem în timpul deplasării fotonului prin interferometru. Cu alte cuvinte, putem afla cu siguranţă dacă a avut loc vreo interceptare în timpul transmisiei", spune dr. Michal Karpinski (University of Warsaw, în prezent la University of Oxford), cel care a fost responsabil cu construirea sistemului experimental și efectuarea măsurătorilor.

Rezultatele au evidenţiat o nouă proprietate, surprinzătoare, a lumii cuantice: polarizarea fotonilor joacă un rol important în cadrul interferenţei dintre cele două căi de deplasare ale fotonului.

„Aceasta este ca şi cum calitatea unui serviciu de curierat, de exemplu, la care o vază este livrată în interiorul unui pachet ambalat în siguranţă şi care trebuie să ajungă intactă la cel ce a comandat-o, depinde de culoarea vazei (dacă vaza este verde sau roşie, ca să revenim la exemplul iniţial). În lumea noastră, culoarea nu are nicio influenţă asupra faptului dacă vaza soseşte intactă sau nu. Cu toate acestea, starea pachetelor expediate de „curierii noştri cuantici" depinde într-adevăr de proprietăţi interne care par să nu aibă nimic de-a face cu interferenţa", declară prof. Pawel Horodecki (PG).

Rezultatele obţinute permit fizicienilor să examineze proprietăţile fundamentale ale realităţii într-o manieră nouă, mai cuprinzătoare, precum şi realizarea unor aplicaţii practice în ceea ce priveşte criptografia cuantică. Fizicienii din Varşovia şi Gdansk au determinat o metodă ce permite estimarea cu precizie a volumului de informaţii care se pierde dintr-un sistem cuantic care este măsurat.



Traducere de Cristian-George Podariu după quantum-reality-complex-previously-thought, cu acordul Phys.org.

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.