Urojona część mechaniki kwantowej istnieje również w rzeczywistym świecie. Odkrycie naukowców z UW pomoże zrozumieć źródła efektywności superkomputerów kwantowych

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego udowodnili, że urojoną część mechaniki kwantowej można zaobserwować w rzeczywistym świecie. Dotychczas przyjmowano, że związek z mierzalnymi wielkościami fizycznymi mają wyłącznie liczby rzeczywiste. Naukowcy znaleźli jednak takie stany kwantowe splątanych fotonów, których nie da się rozróżnić bez liczb zespolonych. Odkrycie może mieć fundamentalne znaczenie w fizyce kwantowej – pozwoli lepiej zrozumieć źródła efektywności superkomputerów kwantowych, znajdzie też zastosowania w łączności, obrazowaniu czy metrologii.

– Liczby zespolone znajdują zastosowanie w fizyce od dłuższego czasu, np. do opisywania właściwości obwodów elektrycznych. Dotychczas jednak nie było jasne, czy liczby zespolone są rzeczywiście niezbędne, czy też są tylko narzędziem, które pozwala na tworzenie zgrabnych formuł matematycznych do wyrażania właściwości. Okazuje się jednak, że w mechanice kwantowej liczby zespolone są niezbędne do opisu teorii. W wyniku prób opisu mechaniki kwantowej bez użycia liczb zespolonych niektóre zjawiska zostaną pominięte – mówi agencji informacyjnej Newseria Innowacje dr Alexander Streltsov, kierownik Laboratorium Kwantowych Zasobów i Informacji, Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW.

Liczba zespolona zawiera dwa rodzaje liczb: liczby rzeczywiste i urojoną. Liczby rzeczywiste to np. 1, 2, 3, podczas gdy liczba urojona to dowolna liczba, którą można wyrazić jako ujemny pierwiastek kwadratowy. Dotychczas wydawało się, że sens fizyczny mają tylko wyniki wyrażone liczbami rzeczywistym, a liczby urojone ułatwiają opis stanów. Zespół naukowców kierowany przez dr. Alexandra Streltsova z udziałem naukowców z University of Science and Technology of China i University of Calgary znalazł jednak takie stany kwantowe splątanych fotonów, których nie da się rozróżnić bez sięgania po liczby zespolone. To oznacza, że urojoną część mechaniki kwantowej można zaobserwować w rzeczywistym świecie.

– To istotne odkrycie, ponieważ od dłuższego czasu poszukujemy uogólnienia teorii kwantów, aby połączyć ją z ogólną teorią względności. Teraz jest już jasne, że każde takie uogólnienie teorii kwantów wymaga liczb zespolonych – formuły oparte na liczbach rzeczywistych nie są odpowiednie do tego celu. Ważne jest rozumienie ograniczeń tej teorii oraz wiedza na temat tego, jak można osiągnąć uogólnienie teorii mechaniki kwantowej – tłumaczy dr Streltsov.

Badacze przeprowadzili eksperyment potwierdzający znaczenie liczb zespolonych dla mechaniki kwantowej, który można przedstawić w formie gry Alicji i Boba, z udziałem prowadzącego rozgrywkę mistrza. Za pomocą urządzenia z laserami i kryształami mistrz gry wiąże dwa fotony w jeden z dwóch stanów kwantowych, których rozróżnienie wymaga użycia liczb zespolonych. Następnie jeden foton wysyła do Alicji, a drugi do Boba. Każde z nich dokonuje pomiaru swojego fotonu, po czym komunikuje się z drugim.

Jak tłumaczą naukowcy, jeśli przyjąć, że wyniki pomiarów Alicji i Boba mogą przyjmować wyłącznie wartości 0 albo 1, to oboje widzą bezsensowny ciąg zer i jedynek. Razem mogą ustalić powiązania między odpowiednimi pomiarami. Jeśli mistrz gry wysłał im stan skorelowany, gdy jedno zobaczy wynik 0, drugie również. Jeśli otrzymali stan antyskorelowany, gdy Alicja zmierzy 0, u Boba będzie 1. Dzięki wzajemnym uzgodnieniom Alicja i Bob mogliby rozróżnić stany kwantowe, ale tylko w sytuacji, gdyby ich kwantowa natura miała charakter fundamentalnie zespolony.

– Dzięki naszym metodom możemy analizować układy optyczne składające się z laserów, dzielników wiązki i płytek falowych. Takie układy mają zastosowanie np. w kryptografii kwantowej, dzięki czemu dwie oddalone od siebie osoby mogą się komunikować w bardzo bezpieczny sposób. Nasze metody pozwalają analizować złożoność sieci optycznych i docelowo zmniejszać ich złożoność dzięki ocenie liczby potrzebnych elementów optycznych – przekonuje ekspert.

Zjawiska kwantowe mają potencjalne zastosowania w łączności, zapewniając bezpieczeństwo transmisji danych, w obrazowaniu przyczyniają się do poprawy rozdzielności, a w metrologii pomagają zwiększyć dokładność pomiarów.

– Kolejnym krokiem będzie analiza zastosowań sieci optycznych. Optyka ma również zastosowanie w próbkowaniu bozonów czy mówiąc bardziej ogólnie – istnieją układy do obliczeń kwantowych z użyciem optyki kwantowej. Dzięki naszym metodom możemy takie sieci kwantyfikować i analizować. Następnym etapem będą zastosowania praktyczne, czyli analiza i redukcja złożoności układów dzięki ograniczaniu liczby elementów optycznych – wskazuje dr Alexander Streltsov.

Wyniki badań naukowców mogą też pomóc lepiej zrozumieć źródła efektywności komputerów kwantowych. Teoretycznie mogłyby też umożliwić budowanie bardziej złożonych i potężnych komputerów kwantowych, które pogłębią naszą wiedzę na temat złożonych cząsteczek, złamią algorytmy szyfrowania czy zwiększą wydajność rynków kapitałowych.

– Nie oczekuję bezpośrednio powstania nowych technologii kwantowych, ale uważam, że nasze metody będą przydatne do upraszczania dotychczasowych technologii kwantowych, upraszczania układów, dzięki czemu staną się bardziej odporne, ponieważ ograniczając liczbę elementów optycznych, możemy uczynić nasz układ bardziej odpornym na zakłócenia, co spowoduje zwiększenie jego wydajności – podkreśla kierownik Laboratorium Kwantowych Zasobów i Informacji, Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW.

Projekt „Quantum Optical Technologies” finansujący działalność Centrum Optycznych Technologii Kwantowych jest realizowany w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Projekt współfinansowany jest ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.