Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego udowodnili, ?e urojon? cz??? mechaniki kwantowej mo?na zaobserwowa? w rzeczywistym ?wiecie. Dotychczas przyjmowano, ?e zwi?zek z mierzalnymi wielko?ciami fizycznymi maj? wy??cznie liczby rzeczywiste. Naukowcy znale?li jednak takie stany kwantowe spl?tanych fotonów, których nie da si? rozró?ni? bez liczb zespolonych. Odkrycie mo?e mie? fundamentalne znaczenie w fizyce kwantowej – pozwoli lepiej zrozumie? ?ród?a efektywno?ci superkomputerów kwantowych, znajdzie te? zastosowania w ??czno?ci, obrazowaniu czy metrologii.
– Liczby zespolone znajduj? zastosowanie w fizyce od d?u?szego czasu, np. do opisywania w?a?ciwo?ci obwodów elektrycznych. Dotychczas jednak nie by?o jasne, czy liczby zespolone s? rzeczywi?cie niezb?dne, czy te? s? tylko narz?dziem, które pozwala na tworzenie zgrabnych formu? matematycznych do wyra?ania w?a?ciwo?ci. Okazuje si? jednak, ?e w mechanice kwantowej liczby zespolone s? niezb?dne do opisu teorii. W wyniku prób opisu mechaniki kwantowej bez u?ycia liczb zespolonych niektóre zjawiska zostan? pomini?te – mówi dr Alexander Streltsov, kierownik Laboratorium Kwantowych Zasobów i Informacji, Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW.
Liczba zespolona zawiera dwa rodzaje liczb: liczby rzeczywiste i urojon?. Liczby rzeczywiste to np. 1, 2, 3, podczas gdy liczba urojona to dowolna liczba, któr? mo?na wyrazi? jako ujemny pierwiastek kwadratowy. Dotychczas wydawa?o si?, ?e sens fizyczny maj? tylko wyniki wyra?one liczbami rzeczywistym, a liczby urojone u?atwiaj? opis stanów. Zespó? naukowców kierowany przez dr. Alexandra Streltsova z udzia?em naukowców z University of Science and Technology of China i University of Calgary znalaz? jednak takie stany kwantowe spl?tanych fotonów, których nie da si? rozró?ni? bez si?gania po liczby zespolone. To oznacza, ?e urojon? cz??? mechaniki kwantowej mo?na zaobserwowa? w rzeczywistym ?wiecie.
– To istotne odkrycie, poniewa? od d?u?szego czasu poszukujemy uogólnienia teorii kwantów, aby po??czy? j? z ogóln? teori? wzgl?dno?ci. Teraz jest ju? jasne, ?e ka?de takie uogólnienie teorii kwantów wymaga liczb zespolonych – formu?y oparte na liczbach rzeczywistych nie s? odpowiednie do tego celu. Wa?ne jest rozumienie ogranicze? tej teorii oraz wiedza na temat tego, jak mo?na osi?gn?? uogólnienie teorii mechaniki kwantowej – t?umaczy dr Streltsov.
Badacze przeprowadzili eksperyment potwierdzaj?cy znaczenie liczb zespolonych dla mechaniki kwantowej, który mo?na przedstawi? w formie gry Alicji i Boba, z udzia?em prowadz?cego rozgrywk? mistrza. Za pomoc? urz?dzenia z laserami i kryszta?ami mistrz gry wi??e dwa fotony w jeden z dwóch stanów kwantowych, których rozró?nienie wymaga u?ycia liczb zespolonych. Nast?pnie jeden foton wysy?a do Alicji, a drugi do Boba. Ka?de z nich dokonuje pomiaru swojego fotonu, po czym komunikuje si? z drugim.
Jak t?umacz? naukowcy, je?li przyj??, ?e wyniki pomiarów Alicji i Boba mog? przyjmowa? wy??cznie warto?ci 0 albo 1, to oboje widz? bezsensowny ci?g zer i jedynek. Razem mog? ustali? powi?zania mi?dzy odpowiednimi pomiarami. Je?li mistrz gry wys?a? im stan skorelowany, gdy jedno zobaczy wynik 0, drugie równie?. Je?li otrzymali stan antyskorelowany, gdy Alicja zmierzy 0, u Boba b?dzie 1. Dzi?ki wzajemnym uzgodnieniom Alicja i Bob mogliby rozró?ni? stany kwantowe, ale tylko w sytuacji, gdyby ich kwantowa natura mia?a charakter fundamentalnie zespolony.
– Dzi?ki naszym metodom mo?emy analizowa? uk?ady optyczne sk?adaj?ce si? z laserów, dzielników wi?zki i p?ytek falowych. Takie uk?ady maj? zastosowanie np. w kryptografii kwantowej, dzi?ki czemu dwie oddalone od siebie osoby mog? si? komunikowa? w bardzo bezpieczny sposób. Nasze metody pozwalaj? analizowa? z?o?ono?? sieci optycznych i docelowo zmniejsza? ich z?o?ono?? dzi?ki ocenie liczby potrzebnych elementów optycznych – przekonuje ekspert.
Zjawiska kwantowe maj? potencjalne zastosowania w ??czno?ci, zapewniaj?c bezpiecze?stwo transmisji danych, w obrazowaniu przyczyniaj? si? do poprawy rozdzielno?ci, a w metrologii pomagaj? zwi?kszy? dok?adno?? pomiarów.
– Kolejnym krokiem b?dzie analiza zastosowa? sieci optycznych. Optyka ma równie? zastosowanie w próbkowaniu bozonów czy mówi?c bardziej ogólnie – istniej? uk?ady do oblicze? kwantowych z u?yciem optyki kwantowej. Dzi?ki naszym metodom mo?emy takie sieci kwantyfikowa? i analizowa?. Nast?pnym etapem b?d? zastosowania praktyczne, czyli analiza i redukcja z?o?ono?ci uk?adów dzi?ki ograniczaniu liczby elementów optycznych – wskazuje dr Alexander Streltsov.
Wyniki bada? naukowców mog? te? pomóc lepiej zrozumie? ?ród?a efektywno?ci komputerów kwantowych. Teoretycznie mog?yby te? umo?liwi? budowanie bardziej z?o?onych i pot??nych komputerów kwantowych, które pog??bi? nasz? wiedz? na temat z?o?onych cz?steczek, z?ami? algorytmy szyfrowania czy zwi?ksz? wydajno?? rynków kapita?owych.
– Nie oczekuj? bezpo?rednio powstania nowych technologii kwantowych, ale uwa?am, ?e nasze metody b?d? przydatne do upraszczania dotychczasowych technologii kwantowych, upraszczania uk?adów, dzi?ki czemu stan? si? bardziej odporne, poniewa? ograniczaj?c liczb? elementów optycznych, mo?emy uczyni? nasz uk?ad bardziej odpornym na zak?ócenia, co spowoduje zwi?kszenie jego wydajno?ci – podkre?la kierownik Laboratorium Kwantowych Zasobów i Informacji, Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW.
Projekt „Quantum Optical Technologies” finansuj?cy dzia?alno?? Centrum Optycznych Technologii Kwantowych jest realizowany w ramach programu Mi?dzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Projekt wspó?finansowany jest ze ?rodków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.
