Teorię opisującą świat kwantów sformułowano już prawie 100 lat temu, ale tajemnice mikroświata nadal nas zaskakują. Udało nam się zaakceptować myśl, że pojedyncze fotony lub elektrony znajdują się, z pewnym prawdopodobieństwem, w każdym punkcie przestrzeni jednocześnie; podobnie wiemy już, że klasyczna logika dwuwartościowa tam nie obowiązuje. Ilustruje to przykład słynnego kota Schrödingera opisanego superpozycją stanów, których współistnienie klasycznie jest wykluczone. Efekty kwantowe pozwalają na realizację niektórych wizji znanych dotąd z fantastyki naukowej, np. kwantowej teleportacji – przeniesienia stanu kwantowego dowolnie daleko.

Teraz uczymy się sterować cząstkami na odległość. Kwantowe sterowanie można porównać do zabawy marionetką, gdzie rolę (niewidzialnych) sznurków pełnią kwantowe korelacje, czyli splątanie dwóch lub więcej cząstek. Dzięki takim stanom splątanym, możliwa jest np. znana z filmów science fiction kwantowa teleportacja, czyli przeniesienie stanu cząstek (informacji) na odległość. Możliwość sterowania zademonstrowano już dla pojedynczych fotonów. Zespoły fizyków pod kierunkiem dr hab. Magdaleny Stobińskiej z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Gdańskiego oraz prof. dr. hab. Pawła Horodeckiego z Katedry Fizyki Teoretycznej i Informatyki Kwantowej Politechniki Gdańskiej i Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej opracowały metodę, dzięki której będzie można tego dokonać także dla stanów wielofotonowych, wytwarzanych przez najbardziej rozpowszechniony typ źródła światła kwantowego. Została ona przedstawiona w publikacji, która ukazała się w styczniu 2017 r. w czasopiśmie Physical Review Letters.

Adam Rutkowski, Adam Buraczewski, Paweł Horodecki, and Magdalena Stobińska, Quantum Steering Inequality with Tolerance for Measurement-Setting Errors: Experimentally Feasible Signature of Unbounded Violation, Phys. Rev. Lett. 118, 020402 (2017).

10.1103/PhysRevLett.118.020402

Kwantowe korelacje najczęściej kojarzą się nam ze splątaniem kwantowym. Jednakże jest to tylko jeden z kilku ich typów. Korelacje są klasyfikowane ze względu na ich „moc”, czyli przydatność do implementacji kwantowych technologii. Splątanie dwóch cząstek wyraża się przez skorelowaną losowość wyników pomiarów na nich wykonanych. Dzięki stanom splątanym możliwa jest teleportacja kwantowa. Źródłem najsilniejszych korelacji, tzw. nielokalności Bella, są stany splątane, które łamią nierówności Bella. Pozwalają one np. na generację liczb losowych. Niestety, eksperymentalne obserwacje łamania są niezwykle trudne, szczególnie dla stanów wielocząstkowych, ponieważ ilość pomiarów bardzo szybko rośnie z ilością cząstek. Kwantowe sterowanie stanowi odrębny, najmniej zbadany typ korelacji, który jest łatwiejszy do weryfikacji w laboratorium. Jest bardzo prawdopodobne, że pozwolą one na realizację zadań, które dotąd wymagały łamania nierówności Bella i były poza naszym zasięgiem.

Dr hab. Magdalena Stobińska

Najnowszą aparaturę stosowaną w eksperymentach kwantowo-optycznych stanowią układy optyki zintegrowanej. W szklanych lub kryształowych chipach z laserowo wykonanymi falowodami zachodzą procesy kwantowe o ogromnej złożoności. Są one fotonicznym odpowiednikiem elektronicznych układów scalonych. Interferują w nich kwantowe stany światła wytwarzane dzięki zjawisku parametrycznego podziału częstości. Źródła światła produkują stan tzw. splątanej ściśniętej próżni, składający się z wielu fotonów skorelowanych w polaryzacjach, które na wyjściu z chipów są zliczane za pomocą detektorów wykorzystujących nanotechnologię. Przewiduje się, że dzięki takim chipom przeprowadzona zostanie „druga kwantowa rewolucja”, polegająca na zastosowaniu technologii kwantowych w życiu codziennym. Dlatego badanie korelacji kwantowych wytwarzanych w tych układach jest ważne.

Polskie zespoły zainteresowała możliwość użycia protokołu kwantowego sterowania do testowania stanów splątanej ściśniętej próżni. Opracowana metoda umożliwia łatwą w realizacji weryfikację splątania, przy czym liczba wykonanych pomiarów pozostaje niemal stała pomimo wzrostu liczby fotonów. Ponadto, nierówność od początku zaprojektowano tak, aby była odporna na niedoskonałości implementacji, dzięki czemu jest dobrze dostosowana do realistycznych układów eksperymentalnych, w których występują np. straty. Wszystkie te cechy powodują, że test nowej nierówności sterowania jest znacznie prostszy do wykonania niż test Bella.

Praca zespołów dr hab. Stobińskiej i prof. Horodeckiego stanowi ważny wkład w międzynarodowe badania kwantowych korelacji i przyczyni się do lepszego zrozumienia zjawiska kwantowego sterowania. Nowa nierówność pozwala na poszukiwanie kwantowego splątania np. w procesach chemicznych i biologicznych, które mogłyby kiedyś stać się nowymi platformami dla informatyki kwantowej. W szczególności, rezultat może posłużyć do szacowania ilości splątania, certyfikowania generatorów liczb losowych oraz kodów losowego dostępu. Autorzy publikacji formułują także kilka pytań otwartych. Znalezienie na nie odpowiedzi pozwoliłoby zrozumieć zależności między kwantowym sterowaniem a innymi typami korelacji kwantowych, a także szczególną teorią względności.

Do tej pory laboratoria na całym świecie wykorzystywały przede wszystkim tzw. nierówności Bella, metodę opracowaną w 1964 r. przez irlandzkiego fizyka, który podważył jedną z teorii Einsteina dotyczącą badań nad mechaniką kwantową. Zespół pod kierownictwem dr hab. M. Stobińskiej w którego prace istotny wkład wniósł dr Adam Buraczewski, oraz zespół prof. dr hab. Pawła Horodeckiego z Politechniki Gdańskiej i Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej z dr Adamem Rutkowskim z Uniwersytetu Gdańskiego, dostarczył międzynarodowej społeczności łatwiejszą w implementacji metodę, która dostosowana jest do najnowszych układów doświadczalnych w laboratoriach optycznych i która przyczyni się do lepszego zrozumienia korelacji kwantowego sterowania.

Opracowana w 100% przez polski zespół metoda kwantowego sterowania fotonami została od początku zaprojektowana tak, aby była odporna na niedoskonałości implementacji. Dzięki temu jest znacznie prostsza w użyciu od metody Bella i pozwala na realizację zadań, które dotąd były poza zasięgiem laboratoriów na całym świecie.

Dr hab. M. Stobińska ma nadzieję na wykorzystanie polskiej metody w przyszłych technologiach kwantowych, m.in. w celu certyfikowania urządzeń pod kątem bezwarunkowego bezpieczeństwa przesyłania informacji lub użycia ich do obliczeń kwantowych. Dzięki temu nowa metoda kwantowego sterowania pomoże przeprowadzić tzw. drugą rewolucję kwantową, która zaowocuje zastosowaniami technologii kwantowych w życiu codziennym.

Wspomniana praca jest zwieńczeniem projektu europejskiego Marie Curie Career Integration Grant zrealizowanego przez nią na Uniwersytecie Gdańskim w latach 2012-2016. Tematyka ta będzie kontynuowana przez dr hab. M. Stobińską w Warszawie, w ramach jej nowego projektu First Team Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej.

Autor: Łukasz Wilczyński, dr hab. Magdalena Stobińska