Naukowcy opracowali symulacje w celu zbadania szybkich procesów zachodzących w teorii kwantowej, ujawniając wiedzę na temat splątania kwantowego i jego powstawania.
Odkrycia te, szczegółowo opisujące, w jaki sposób można określić ilościowo i zaobserwować splątanie w ciągu attosekund, pokazują znaczny postęp w zrozumieniu czasowej dynamiki zdarzeń kwantowych.
Teoria kwantowa i czas: odkrywanie efektów natychmiastowych
Teoria kwantowa zajmuje się zdarzeniami zachodzącymi w niewiarygodnie krótkich skalach czasowych. W przeszłości sądzono, że zdarzenia te zachodzą natychmiastowo, bez przerwy: elektron krąży wokół jądra atomu atom i w mgnieniu oka zostaje nagle wyrzucony przez błysk światła. Podobnie dwie cząstki zderzają się i natychmiast ulegają „splątaniu kwantowemu”.
Jednak dziś naukowcy mogą zbadać dokładny czas wystąpienia tych niemal natychmiastowych efektów. Naukowcy z TU Wien (Wiedeń) we współpracy z zespołami z Chin opracowali symulacje komputerowe w celu zbadania tych ultraszybkich procesów. Symulacje te pozwalają nam zrozumieć, jak powstaje splątanie kwantowe w ciągu zaledwie attosekund. Wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.
Jakiś attosekunda to niezwykle mały ułamek czasu, trwający zaledwie jedną trylionową (jedną miliardową części miliardowej lub 10-18) sekundy. Jest często używany do pomiaru ultraszybkich zjawisk w fizyce kwantowej, takich jak ruch elektronów w atomach.
Wyjaśnienie splątania kwantowego
Jeśli dwie cząstki są splątane kwantowo, nie ma sensu opisywać ich osobno. Nawet znając doskonale stan tego układu dwucząstkowego, nie można jednoznacznie stwierdzić stanu pojedynczej cząstki. „Można powiedzieć, że cząstki nie mają indywidualnych właściwości, mają jedynie wspólne właściwości. Z matematycznego punktu widzenia są one ze sobą ściśle powiązane, nawet jeśli znajdują się w dwóch zupełnie różnych miejscach” – wyjaśnia prof. Joachim Burgdörfer z Instytutu Fizyki Teoretycznej TU Wien.
W eksperymentach ze splątanymi cząstkami kwantowymi naukowcy są zwykle zainteresowani utrzymaniem tego splątania kwantowego tak długo, jak to możliwe – na przykład, jeśli chcą wykorzystać splątanie kwantowe w kryptografii kwantowej lub komputerach kwantowych. „Nas natomiast interesuje coś innego – przede wszystkim odkrycie, jak rozwija się to splątanie i jakie efekty fizyczne odgrywają rolę w niezwykle krótkich skalach czasowych” – mówi prof. Iva Březinová, jedna z autorek książki aktualna publikacja.
Czasy narodzin kwantowych i splątanie
Naukowcy przyjrzeli się atomom uderzonym niezwykle intensywnym impulsem laserowym o wysokiej częstotliwości. Elektron zostaje wyrwany z atomu i odlatuje. Jeśli promieniowanie jest wystarczająco silne, możliwe jest, że wpłynie to również na drugi elektron atomu: może zostać przesunięty w stan o wyższej energii, a następnie okrążyć jądro atomowe inną drogą.
Zatem po impulsie lasera jeden elektron odlatuje, a drugi zostaje z atomem o nieznanej energii. „Możemy pokazać, że te dwa elektrony są teraz splątane kwantowo” – mówi Joachim Burgdörfer. „Można je analizować tylko razem – można też wykonać pomiar na jednym z elektronów i jednocześnie dowiedzieć się czegoś o drugim elektronie”.
Pomiar i tajemnica w fizyce kwantowej
Zespołowi badawczemu udało się teraz wykazać, korzystając z odpowiedniego protokołu pomiarowego, który łączy w sobie dwie różne wiązki laserowe, że możliwe jest osiągnięcie sytuacji, w której „czas narodzin” elektronu odlatuje, czyli moment opuszczenia atomu , jest związany ze stanem elektronu, który pozostaje w tyle. Te dwie właściwości są splątane kwantowo.
„Oznacza to, że czas narodzin odlatującego elektronu w zasadzie nie jest znany. Można powiedzieć, że sam elektron nie wie, kiedy opuścił atom” – mówi Joachim Burgdörfer. „Jest w kwantowo-fizycznej superpozycji różnych stanów. Opuścił atom zarówno wcześniej, jak i później.”
Nie można odpowiedzieć, który moment w czasie był „naprawdę” – „faktyczna” odpowiedź na to pytanie po prostu nie istnieje w fizyce kwantowej. Ale odpowiedź jest kwantowo-fizycznie powiązana z – również nieokreślonym – stanem elektronu pozostającego w atomie: jeśli pozostały elektron jest w stanie wyższej energii, wówczas istnieje większe prawdopodobieństwo, że elektron, który odleciał, został wyrwany przy wczesny moment; jeśli pozostały elektron jest w stanie o niższej energii, wówczas „czas narodzin” swobodnego elektronu, który odleciał, był prawdopodobnie późniejszy – średnio około 232 attosekund.
Jest to niemal niewyobrażalnie krótki okres czasu: attosekunda to miliardowa część miliardowej części sekundy. „Jednak różnice te można nie tylko obliczyć, ale także zmierzyć w eksperymentach” – mówi Joachim Burgdörfer. „Prowadzimy już rozmowy z zespołami badawczymi, które chcą udowodnić takie ultraszybkie splątania”.
Rozwiązanie zagadki kwantowej
Praca pokazuje, że nie wystarczy uważać efekty kwantowe za „natychmiastowe”: ważne korelacje stają się widoczne dopiero wtedy, gdy uda się rozwiązać ultrakrótkie skale czasowe tych efektów. „Elektron nie wyskakuje tak po prostu z atomu. Jest to fala, która, że tak powiem, rozlewa się z atomu – a to zajmuje pewną ilość czasu” – mówi Iva Březinová. „Właśnie w tej fazie następuje splątanie, którego efekt można później dokładnie zmierzyć, obserwując dwa elektrony”.
Odniesienie: „Opóźnienia czasowe jako attosekundowa sonda koherencji i splątania międzyelektronicznego” autorstwa Wei-Chao Jianga, Ming-Chen Zhonga, Yong-Kang Fanga, Stefana Donsy, Ivy Březinovej, Liang-You Penga i Joachima Burgdörfera, 15 października 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.163201
