Czego kot Schrödingera może nas nauczyć o mechanice kwantowej? - Josh Samani

Klasyczna fizyka, którą napotykamy w codziennym życiu, bardzo różni się od fizyki kwantowej, której zasadom podlegają układy znacznie mniejszych rozmiarów (np. atomy). Doskonałym przykładem niesamowitości, a zarazem dziwaczności fizyki kwantowej, jest eksperyment myślowy „Kot Schrödingera”. Josh Samani prowadzi nas poprzez próbę zrozumienia splątania kwantowego.

Lekcja: Josh Samani, animacja: Dan Pinto.

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.