Wyobraź sobie, że podrzucasz piłkę pionowo w górę.
Czy można przewidzieć tor lotu piłki?
Pewnie, przecież to proste.
Piłka poleci w górę, do najwyższego punktu,
po czym wróci w dół i wyląduje z powrotem w dłoni.
Oczywiście, właśnie tak się dzieje.
Zaobserwowano to niezliczoną ilość razy.
Zjawiska fizyczne widzimy codziennie.
Lecz załóżmy, że analizujemy zagadnienie fizyki atomowej.
Na przykład: jak wygląda ruch elektronu
wokół jądra atomu wodoru?
Czy na to pytanie da się odpowiedzieć stosując codzienne obserwacje?
Zdecydowanie nie. Dlaczego?
Ponieważ zasady, którym podlegają układy o tak małych rozmiarach,
znacząco różnią się od zasad dla przedmiotów w skali makro,
czyli takich, które widać dookoła.
Świat, który obserwujemy każdego dnia
zachowuje się tak, jak przewiduje mechanika klasyczna.
Jednak układy w skali atomowej
stosują się do mechaniki kwantowej.
Ten kwantowy świat okazuje się bardzo dziwny.
Osobliwość mechaniki kwantowej ilustruje znany eksperyment myślowy:
kot Schrödingera.
Fizyk, który niezbyt lubi koty, wkłada jednego do pudełka
wraz z bombą, mogącą na 50% wybuchnąć po zamknięciu pudełka.
Dopóki pokrywa jest zamknięta, nie da się stwierdzić,
czy bomba wybuchła.
Nie da się zatem ustalić, czy kot żyje.
W fizyce kwantowej można powiedzieć, że przed otworzeniem pudełka
kot był w stanie superpozycji.
Nie był ani żywy, ani martwy.
Był między obiema możliwościami,
z 50% szans na każdą.
To samo dzieje się z układami ciał w skali kwantowej,
takimi jak elektron orbitujący w atomie wodoru.
Elektron wcale nie okrąża jądra.
Jest jakby jednocześnie wszędzie w przestrzeni
z większym prawdopodobieństwem
na obecność w jednym punkcie niż w innych.
Dopiero gdy uda się zaobserwować jego położenie,
można wskazać jego pozycję w danym momencie.
Podobnie jak wtedy, gdy nie było wiadomo, czy kot żyje,
dopóki nie otworzyliśmy pudełka.
To prowadzi do przedziwnego i pięknego fenomenu:
splątania kwantowego.
Załóżmy, że zamiast jednego kota, mamy dwa w dwóch różnych pudłach.
Gdyby w eksperymencie z kotem Schrödingera
użyto naszej pary kotów,
mógłby się on zakończyć na cztery sposoby.
Oba koty byłyby żywe, oba byłyby martwe,
bądź pierwszy byłby żywy, a drugi martwy lub odwrotnie.
Układ dwóch kotów jest w stanie superpozycji.
Tym razem jednak każdy wynik może zajść na 25%.
Jest natomiast coś odjazdowego:
mechanika kwantowa mówi nam, że możemy wykluczyć
zarówno możliwość obu żywych kotów jak i obu martwych w stanie superpozycji.
Inaczej mówiąc, w takim układzie dwóch kotów
wynik zawsze będzie taki: jeden kot żywy, drugi martwy.
Używając technicznego określenia, można powiedzieć, że koty są "splątane".
Jest też coś naprawdę fascynującego jeśli chodzi o splątanie kwantowe.
Mając nasz układ dwóch kotów w stanie splątania w pudełkach,
nawet po rozstawieniu pudełek na przeciwległych końcach wszechświata
wynik eksperymentu nie zmieni się.
Jeden z kotów zawsze pozostanie żywy, drugi zaś zawsze martwy,
choć nie da się przewidzieć, który.
Sprawdzić to można dopiero otwierając pudła.
Jak to możliwe, że losy kotów
na przeciwnych krańcach kosmosu
są powiązane w taki sposób?
Bomby są zbyt daleko, by się skomunikować na czas,
więc jak to się dzieje,
że jedna zawsze wybucha, a druga nie?
Być może myślisz sobie:
"To tylko teoretyczne trele morele.
To nie zdarzyłoby się w prawdziwym świecie".
Lecz okazuje się, że splątanie kwantowe
potwierdzono eksperymentami laboratoryjnymi w prawdziwym świecie.
Dwie cząsteczki subatomowe, splątane w stanie superpozycji,
gdzie ruch jednej powoduje przeciwny ruch drugiej,
zachowają się tak samo, nawet jeśli nie ma możliwości,
by przekazały między sobą informację,
wskazując drugiemu, w którą stronę ma się kręcić, by zachować zasadę splątania.
Nie zaskakuje zatem, że splątanie jest w centrum zainteresowań
dziedziny nazywanej informatyką kwantową,
badającej, jak spożytkować prawa kwantowego świata
w naszym makroskopowym świecie.
Stosować je można w kryptografii kwantowej,
do wysyłania zabezpieczonych wiadomości.
Lub też w obliczeniach kwantowych, służących łamaniu tajnych kodów.
Zwykła fizyka zaczyna przypominać ten dziwny kwantowy świat.
Teleportacja kwantowa może nawet doprowadzić do tego,
że pewnego dnia twój kot ucieknie do innej, bezpieczniejszej galaktyki,
bez fizyków i ich pudełek.