Aspect, Clauser i Zeilinger. Trojac koji je eksperimentima dokazao kvantnu prirodu stvarnosti

Moderna kvantna fizika daleko je napredovala od vremena u kojem su nastale šale na račun Schrödingerove mačke, popularno i ograničeno shvaćanje Heisenbergovih relacija neodređenosti te mita o valno-čestičnom dualizmu tvari, piše Davor Horvatić u članku u kojem objašnjava ovogodišju Nobelovu nagradu za fiziku

• Naslovna ilustracija: Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger (Niklas Elmehed / The Royal Swedish Academy of Sciences)

• Davor Horvatić je izvanredni profesor Fizičkog odsjeka Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu

Fizičari Alain Aspect, John Clauser i Anton Zeilinger dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 2022. godine, za eksperimente koji su dokazali kvantnu prirodu stvarnosti. Njihovi eksperimenti utvrdili su postojanje kvantnog fenomena poznatog kao sprega ili isprepletenost.  U tom kvantnom fenomenu čini se da odvojene čestice dijele informacije unatoč tome što nemaju zamisliv način komunikacije. Struka je vijest o dodjeli ovogodišnje nagrade dočekala riječima: „konačno i više nego zasluženo“.

Prije nego se upustimo u opis fenomena i značaj navedenih otkrića moramo razjasniti dvije stvari. Prvo, izraze kvantna sprega, svezanost, isprepletenost i prepletenost, struka koristi u hrvatskom jeziku za engleski naziv te pojave – quantum entanglement. U ovom tekstu koristit ćemo izraz kvantna sprega. Drugo, moderna kvantna fizika daleko je napredovala od vremena iz kojeg su nastale popularne poštapalice o kvantnoj fizici, tipa: šale na račun Schrödingerove mačke, popularno i ograničeno shvaćanje Heisenbergovih relacija neodređenosti te mita o valno-čestičnom dualizmu tvari. Svijet kvantne fizike toliko je udaljen od svakodnevnog iskustva da je nekada teško naći kvalitetne usporedbe i paralele da bi ga uspjeli opisati jednostavnim rječnikom. Tu činjenicu dobro oslikava i naslov knjige koja daje izvrstan popularni pregled moderne kvantne mehanike „Beyond Weird: Why Everything You Thought You Knew about Quantum Physics Is Different“ autora Philipa Balla. Tko god se upusti u čitanje sigurno će ga iznenaditi da kvantna fizika u svojoj srži nije toliko o kvantu koliko o informaciji.

Kvantna fizika u svojoj srži nije toliko o kvantu koliko o informaciji. Beyond Weird, pregled moderne kvantne mehanike

Kvantna sprega opisuje ponašanje para (ili skupine) čestica koje međudjeluju tako da se kvantno stanje pojedine čestice ne može utvrditi neovisno, već moramo gledati kvantno stanje sustava kao cjeline.  Klasični primjer je par spregnutih fotona (kvanta elektromagnetskog zračenja) koji nastaje iz nekog fizikalnog procesa. Ako je prije procesa ukupni spin fotona bio nula, zakoni očuvanja osiguravaju da će biti takav i nakon nastanka fotona, dakle jedan foton imat će iznos spina usmjeren dolje, a drugi gore. Gore, dolje su proizvoljni izrazi i vezani su uz originalni Stern-Gerlachov eksperiment.

Bez gubitka općenitosti mogli smo umjesto gore i dolje reći da spinovi imaju iznose +1 i -1. Spin je najbolje promatrati kao kvantno svojstvo čestice, umjesto krive predodžbe da je čestica loptica koja se vrti oko svoje osi i da joj to daje svojstvo koje zovemo spin. Kvantni svijet pun je takvih zamki gdje neizbježno radimo krive analogije nekoj klasičnoj slici. Nakon nastanka fotoni svaki odlaze u svom smjeru. Ako nakon nekog vremena odlučimo izmjeriti spin jednog fotona i utvrdimo da je usmjeren dolje, mjerenje drugog sigurno će dati rezultat da je spin usmjeren gore. Fotoni u tom trenutku mogu biti udaljeni toliko da nema nikakve šanse da se između njih izmijeni neki signal koji bi prenio informaciju o stanju drugog čak i brzinom svjetlosti.

John Clauser koristio se atomima kalcija koji bi emitirali fotone u kvantnoj sprezi nakon što bi ih osvijetlio posebnim svjetlom. Postavio je filtere na obje strane kako bi mjerio njihovu polarizaciju. Nakon serije mjerenja, pokazao je kako krše takozvanu Bellovu nejednakost. (Copyright: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences)

Uz ovaj primjer kvantne sprege vezan je i rad iz 1935. godine. Albert Einstein, Boris Podolsky, i Nathan Rosen, objavili su rad u kojem se nalazi opis misaonog eksperimenta koji je kasnije nazvan EPR paradoks. Izraz „jezivo djelovanje na daljinu“ često se veže uz ovaj rad, no Einstein je izraz smislio 12 godina nakon EPR rada i vjerojatno nije samo mislio na kvantnu spregu nego i na sam kolaps valne funkcije prilikom mjerenja. Dvije spregnute čestice po uvriježenoj interpretaciji kvantne mehanike nemaju točno određeno stanje, nego se nalaze u tzv. superpoziciji stanja i mjerenje određuje ishod. Ako izmjerimo stanje jedne čestice, tim činom istovremeno određujemo stanje druge čestice. EPR trojac u svom radu govori zapravo o lokalnim skrivenim varijablama. Ideja je da do opaženog ponašanja dolazi jer, pojednostavljeno rečeno, u trenutku međudjelovanja čestice se „dogovore oko ishoda“, zato izraz lokalne skrivene varijable. Pretpostavka koja se odnosila na lokalnost glasi: “..s obzirom na to da u trenutku mjerenja dva sustava više ne međudjeluju, nikakva realna promjena ne može se desiti s drugim sustavom kao posljedica onoga što se događa s prvim sustavom.“

• Potraga za skrivenim varijablama

EPR rad prvih par desetljeća nakon nastanka nije bio nešto citiran. Da bi se testirala ideja treba ju staviti u znanstveni okvir. Treba osmisliti pokus s kojim će se moći testirati hipoteza.  John S. Bell, fizičar koji se bavio istraživanjima na CERN-u u području fizike elementarnih čestica uzeo je 1964. godine slobodnu godinu i posvetio ju proučavanju EPR paradoksa. Objavio je rad s teoremom koji je dobio naziv Bellova nejednakost. Ako postoje lokalne skrivene varijable koje određuju ishod mjerenja, koristeći Bellovu metodologiju možemo razlučiti između njih i rezultata koji daje kvantna teorija. Osnovna ideja je da dva fizičara mjere spin spregnutih čestica duž različitih osi: ne samo gore i dolje nego nasumično, lijevo i desno ili u drugim smjerovima. Ako je Einstein u pravu i ako su čestice cijelo vrijeme potajno imale unaprijed određen spin, tada čin promjene osi mjerenja ne bi trebao imati utjecaja na ishod. Bell je izračunao da bi, ako je svemir doista kvantno mehanički, a sprega sablasna, promjena osi dovela do koreliranih mjerenja spina češće nego što bi to bilo moguće u klasičnim teorijama. Ukratko, Bell je preveo filozofsku raspravu u znanost i dao je predikcije koje se mogu testirati eksperimentalno.

Alain Aspect dogradio je Clauserov eksperiment, koristeći se novim načinom pobuđivanja atoma kako bi emitirali više fotona u kvantnoj sprezi. Mogao se također prebacivati između različitih postavki, tako da sustav ne sadrži nikakve unaprijed zadane informacije koje bi utjecale na rezultate. (Copyright: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences)

John Clauser prvi je smislio kako izvesti Bellov eksperiment u laboratoriju. Clauser je shvatio da bi eksperiment bilo lakše izvesti ako umjesto elektrona koristimo polarizirane fotone — kvante elektromagnetskog zračene, tj. svjetlosti. Clauserov put prema dizajnu i izvođenju eksperimenta ima zanimljivu anegdotu: slavni Richard Feynman odgovarao ga je od izvođenja eksperimenta. Argument je bio da kvantna mehanika ne treba dodatne provjere. No, da citiram prof. Vukelju, kako će se nešto otkriti ako ne čačkamo i ne propitujemo. Srećom, Clauser nije poslušao Feynmana i 1972. godine proveo je eksperiment. Da bi stvar bila zanimljivija Clauser se okladio u 2 USD da je Einstein u pravu, no eksperiment je pokazao da je osnovna premisa EPR članka – lokalnost – bila pogrešna. Naime, prilikom mjerenja jedne čestice dolazi do nelokalnog utjecaja na drugu česticu, bez obzira na udaljenost među česticama. Ne samo da je okladu izgubio nego ga je i pogodila činjenica da je s eksperimentom opovrgnuo Einsteina.

Zeilinger je 1997. godine proveo kvantnu teleportaciju, protokol u kojem preciznim mjerenjima na spregnutim česticama prenosimo određeno svojstvo, tj. informaciju na česticu koja se nalazi na drugom mjestu

Clauser je u svom eksperimentalnom postavu koristio fiksne leće, i ako skrivene varijable ovise o pozicioniranju leća Einsteinova ideja još bi uvijek bila ispravna. Eksperimentalno istraživanje nastavio je Alan Aspect. Godine 1982. smislio je izuzetno sofisticiran postav gdje se orijentacija leća mijenjala u nasumično kratkom vremenu potrebnom da foton prijeđe put od izvora do leće. Rezultati su ponovo potvrdili ispravnost kvantne teorije. Da bi otklonio svaku sumnju u postojanje bilo kakvog determinističkog procesa koji bi mogao utjecati na promjenu orijentacije leća na početku eksperimenta, 2017. godine Anton Zeilinger provodi eksperiment koristeći fotone emitirane sa zvijezda udaljenih više stotina svjetlosnih godina. Ako postoji kozmički uzrok koji stvara iluziju kvantne sprege, morao je djelovati stotinama godina prije nego se eksperiment osmislio. Naravno da je tako nešto izuzetno nevjerojatno. Rezultati eksperimenta su i po treći put potvrdili ispravnost kvantne teorije. Rezultati pokazuju da su spregnute čestice jedan sustav i da su svojstva čestica neodređena do trenutka kada provedemo mjerenje.

Anton Zeilinger kasnije je proveo još ispitivanja Bellovih nejednakosti. Stvarao je povezane parove fotona tako što bi laserom osvjetljavao poseban kristal, te je koristio nasumične brojeve za mijenjanje postavki mjerenja. Jedan od eksperimenata koristio se signalima iz udaljenih galaksija kako bi kontrolirao filtere, i kako bi se izbjeglo da signali utječu jedni na druge. (Copyright: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences)

Ako se pitate što to zapravo znači u najjednostavnijem smislu stvari, na to pitanje čak ni Zeilinger nema odgovor. To pitanje, zajedno s ispravnom interpretacijom kvantne mehanike, čini materijal za nova istraživanja. Kvantna mehanika je fascinantna teorija, od njenog otkrića pokazala se kao fenomenalan alat za razumijevanje svemira. Kroz eksperimente Clausera, Aspecta i Zeilingera fizičari su uvidjeli da kvanta sprega i Bellovi parovi mogu biti iskorišteni na fascinantne načine.

Zeilinger je 1997. godine proveo kvantnu teleportaciju, protokol u kojem preciznim mjerenjima na spregnutim česticama prenosimo određeno svojstvo, tj. informaciju na česticu koja se nalazi na drugom mjestu. Dakle ne radi se o teleportaciji na kakvu smo navikli u znanstvenoj fantastici nego o prijenosu informacije. Kompleksniji eksperimenti omogućili su da kreiramo bolje temelje za kvanta računala, kvantne komunikacijske mreže i kvantnu kriptografiju. Eksperimenti su toliko napredovali da se više ne provode na kratkim laboratorijskim udaljenostima nego i između zemaljskih postaja i satelita.

Schrödinger i Heisenberg nisu se nikad pomirili s implikacijama teorije koju su stvorili. No, nevjerojatna učinkovitost kvantne teorije dala nam je tehnološku revoluciju u 20. stoljeću

Teorija koja je svoj put započela Planckovim proučavanjem intenziteta zračenja koje emitiraju zagrijani metali, svoju pravu formulaciju dobila kroz rad Schrödingera i Heisenberga. Zanimljivo je spomenuti i suprotnost u metodama rada spomenutog dvojca. Schrödinger je svoju formulaciju napravio u Schladmingu u pauzama od druženja s ljubavnicom, dok je s dva bisera u ušima (da bi imao mir i tišinu) proučavao implikacije de Broglijevog doktorata. Heisenberg je pak do svojih ideja došao noćnim šetanjima pustopoljinama Helgolanda, malog arhipelaga u Sjevernom moru. Nisu se nikad pomirili s implikacijama teorije koju su stvorili. No, nevjerojatna učinkovitost kvantne teorije dala nam je tehnološku revoluciju u 20. stoljeću, a proučavanje njenih temeljnih svojstava daje nam temelje novih naprednih tehnologija. Daje nam i nove eksperimentalne ideje i rezultate s kojima dobivamo novo razumijevanje kvantne mehanike.