A kvantummechanika nem csupán elméleti vagy filozófiai szinten vet fel kérdéseket, fontos kutatások és fejlesztések folynak a különféle részecskerendszerek speciális tulajdonságainak hasznosítása érdekében. Többek közt kvantumszámítógépeken, jobb mérési módszereken, kvantumhálózatok építésén és kvantumszinten titkosított kommunikáción dolgoznak a szakértők.

Ezek az alkalmazási lehetőségek elsősorban azon alapulnak, hogy a kvantummechanika lehetővé teszi, hogy két vagy több részecske osztozzon egy közös állapoton, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól. Ezt nevezik összefonódásnak, és elméleti megfogalmazása óta ez a kvantummechanika egyik legvitatottabb eleme, amelyet Erwin Schrödinger pedig a legfontosabb tulajdonságának is nevezett. Az idei díjazottak ezeket a kvantumszinten összefonódott állapotokat kutatták, kísérleteikkel megalapozva a kvantumtechnológiában jelenleg zajló forradalmat.

Volt-nincs színek

Ha két részecske összefonódott állapotban van, akkor az egyik részecske egy tulajdonságát megmérve azonnal meg lehet állapítani a másik részecskén végzett ugyanilyen mérés eredményét, anélkül, hogy azt ténylegesen ellenőrizni kellene. A kvantummechanika különlegessége ugyanakkor, hogy a részecskéknek nincs meghatározott állapotuk, amíg nem kezdik mérni őket. Ha apró gömbökként képzeljük el a részecskéket, olyan mintha a két vizsgált gömb egészen addig szürke lenne, amíg valaki meg nem nézi az egyiket.

De honnan lehet tudni, hogy a gömböknek kezdetben nem volt meghatározott színe? És ha eredetileg szürkének tűntek is, vajon volt bennük egy rejtett információ, amely meghatározza, hogy milyen színűvé válnak, ha valaki rájuk néz?

Az idei fizikai Nobel-díjjal jutalmazott kutatások fontos részét képezi a Bell-egyenlőtlenségnek nevezett elméleti felismerés kísérleti vizsgálata. Ez lehetővé teszik, hogy megkülönböztessük a kvantummechanikai határozatlanságot és egy alternatív, titkos utasításokat, úgynevezett rejtett változókat használó leírástól. A kísérletek igazolták, hogy a természet a kvantummechanika által megjósolt módon viselkedik, vagyis a golyók szürkék, és nincs bennük titkos utasítás. A véletlen határozza meg, hogy egy kísérletben melyik lesz fekete, és melyik fehér, ha vizsgálni kezdjük őket.

A teleportáció esete az optikai szálakkal

Az összefonódott kvantumállapotok az információ tárolásának, átvitelének és feldolgozásának új módjaira kínálnak lehetőséget. Érdekes dolgok történnek, ha egy összefonódott pár részecskéi ellentétes irányban haladnak, majd az egyikük úgy találkozik egy harmadik részecskével, hogy azok is összefonódnak. A harmadik részecske elveszíti identitását, de eredeti tulajdonságai átkerülnek az eredeti pár egyik részecskéjére. Az ismeretlen kvantumállapot egyik részecskéről a másikra való átvitelének ezt a módját kvantumteleportációnak nevezik szakértők. Ilyen kísérleteket elsőként Anton Zeilinger és munkatársai végeztek 1997-ben.

Egy kvantumrendszer összes tulajdonságát lehetetlen megmérni, majd továbbítani, mivel a rendszer minden tulajdonságnak egyszerre több változatát is tartalmazhatja. Minden változatnak van egy bizonyos valószínűsége, amely szerint egy mérés során megjelenik. Amint a mérés megtörtént, csak egy változat marad, mégpedig az, amelyet a mérőműszer megállapított. A többi eltűnik, és lehetetlen, hogy valaha is bármit is megtudjunk róluk. Az ismeretlen kvantumtulajdonságok azonban kvantumteleportációval átvihetők, és egy másik részecskén épségben megjelenhetnek – persze azon az áron, hogy az eredeti részecskében megsemmisülnek.

Miután ezt kísérletileg sikerült kimutatni, a következő lépés két összefonódott részecskepár felhasználása volt. Ha mindkét párból egy-egy részecskét egy bizonyos módon összehozunk, akkor a párosok másik részecskéi összefonódott állapotba kerülhetnek annak ellenére, hogy soha nem érintkeztek egymással. Ezt először szintén Anton Zeilinger kutatócsoportja mutatta meg 1998-ban.

Összefonódott fotonpárokat, a fény részecskéit, lehetséges ellentétes irányba küldeni optikai szálakon keresztül, és ezek jelként működhetnek egy kvantumhálózatban. A két pár összefonódása lehetővé teszi a hálózat csomópontjai közötti távolságok megnövelését. A fotonok egy optikai szálon keresztüli küldésének van egy határa, ezt követően elnyelődnek vagy elveszítik tulajdonságaikat. A közönséges fényjeleket útközben fel lehet erősíteni, de ez az összefonódott párok esetében nem működik. Az erősítőnek be kell fognia és mérnie kell a fényt, ami megtöri az összefonódást. Több pár közötti összefonódásokkal azonban az eredeti állapotot tovább lehet küldeni, így nagyobb távolságokra is át lehet vinni, mint amire egyébként lehetőség lett volna.

Milyen a valóság?

Mindezen eredmények évtizedek munkájának köszönhetők. Minden azzal a felismeréssel kezdődött, hogy a kvantummechanika lehetővé teszi, hogy egyetlen kvantumrendszert egymástól elkülönült részekre osszunk úgy, hogy azok mégis egyetlen egészként működnek.

Ez ellentmond az ok-okozatról és a hatásról, valamint a valóság természetéről alkotott megszokott elképzeléseknek. Hogyan befolyásolhat valamit egy valahol máshol bekövetkező esemény anélkül, hogy bármilyen jel közvetítődne köztük? Egy jel sem terjedhet gyorsabban a fénynél, de a kvantummechanikában úgy tűnik, hogy nincs szükség jelekre ahhoz, hogy egy kiterjedt rendszer különböző részei hatással legyenek egymásra.

A fő kérdés ennek nyomán az lett, hogy létezhet-e a valóságnak egy teljesebb leírása, amelynek a kvantummechanika csak egy része. Elképzelhető-e például, hogy a részecskék – ahogy már említettük – mindig rejtett információt hordoznak azzal kapcsolatban, hogy mit fognak egy kísérlet során csinálni.

John Stewart Bell (1928–1990) északír fizikus, a CERN kidolgozott egy olyan kísérletet, amellyel megállapítható, hogy a világ tisztán kvantummechanikai-e, vagy a részecskék által hordozott rejtett információkon alapuló leírás a helytálló. Ha kérdéses a kísérletet sokszor megismétlik, a rejtett változós elméletek alapján az eredmények közti korrelációnak egy meghatározott értéknél kisebbnek vagy azzal egyenlőnek kellene lennie. A kvantummechanika azonban megsértheti ezt az úgynevezett Bell-egyenlőtlenséget: nagyobb értékeket mutat az eredmények közötti korrelációban, mint ami a rejtett változók révén lehetséges lenne.

Megsértett egyenlőtlenségek

John Clauser az 1960-as években, még diákként kezdett el érdeklődni a kvantummechanika alapjai iránt. Nagyon foglalkoztatta John Bell munkássága, és végül több más kutatóval közösen javaslatot tettek egy olyan kísérletre, amellyel a Bell-egyenlőtlenséget tesztelni lehet. A kísérlet során egy összefonódott részecskepár tagjait ellentétes irányba küldik. A gyakorlatban olyan fotonokat használnak, amelyeknek van egy polarizációnak nevezett tulajdonságuk. Amikor a részecskéket kibocsátják, a polarizáció iránya meghatározatlan, és csak annyi bizonyos, hogy párhuzamos polarizációval rendelkeznek. Ezt egy olyan szűrővel lehet vizsgálni, amely egy adott irányú polarizációt enged át.

Ha a kísérlet mindkét részecskéjét olyan szűrők felé küldjük, amelyek ugyanabban a síkban, például függőlegesen tájoltak, és az egyik átcsúszik, akkor a másik is át fog jutni. Ha a szűrők tájolása eltérő, akkor előfordulhat, hogy az egyik megáll, míg a másik átmegy. A trükk az, hogy a szűrőket különböző irányokba állítva kell mérni, mivel ilyenkor az eredmények változóak: néha mindkét részecske átjut, néha csak az egyik, néha pedig egyik sem. Az, hogy milyen gyakran jut át mindkét részecske a szűrőn, a szűrők közötti szögtől függ.

Clauser, Aspect és Zeilinger egyre összetettebb kvantumkísérletei

Annak valószínűsége, hogy az egyik részecske átjut-e, attól függ, hogy a kísérleti elrendezés túloldalán lévő szűrő milyen szögben vizsgálta a másik polarizációját. Ez azt jelenti, hogy a két mérés eredményei bizonyos szögeknél megsértik a Bell-egyenlőtlenséget, és erősebb korrelációt mutatnak, mintha az eredményeket rejtett változók irányítanák, és már a részecskék kisugárzásakor előre meghatározottak lennének.

John Clauser azonnal elkezdett dolgozni a kísérlet megvalósításán. Épített egy olyan rendszert, amely egyszerre két összefonódott fotont bocsátott ki, mindkettőt egy-egy polarizációs szűrő felé.

A kvantuminformáció kora

Az ezt követő években John Clauser és más fizikusok tovább folytatták a kísérletről és annak korlátairól szóló eszmecserét. Ezek egyike az volt, hogy a kísérlet általánosságban nem volt hatékony, sem a részecskék előállítása, sem azok a befogása tekintetében. A mérés ráadásul előre be volt állítva, a szűrők meghatározott szögben voltak elhelyezve. Voltak tehát problémák, amelyek miatt az eredmények megkérdőjelezhetőek voltak.

Ezeket a problémákat nem volt könnyű orvosolni, mivel az összefonódott kvantumállapotok törékenyek és nagyon nehezen kezelhetők. A kísérlet új változatát végül Alain Aspect francia doktorandusz építette meg több verzión keresztül finomítva saját elrendezését. Kísérletei során már regisztrálni tudta a szűrőn áthaladó és a szűrőn át nem haladó fotonokat is, ami azt jelentette, hogy több fotont sikerült detektálni, és a mérések is jobbak lettek.

Ezek és a hasonló kísérletek alapozták meg a kvantummechanikában jelenleg is folyó intenzív kutatásokat. Azzal, hogy a szakértők képessé váltak manipulálni és kezelni a kvantumállapotokat és azok összes tulajdonságrétegét, új alkalmazási lehetőségek sora merült fel. Ez lett az alapja a kvantumszámításoknak, a kvantuminformáció átvitelének és tárolásának, valamint a kvantumtitkosítási algoritmusoknak. Ma már a gyakorlatban is használnak kettőnél több részecskét tartalmazó, egymással összefonódott rendszereket, amelyeket elsőként Anton Zeilinger és kollégái kezdtek kutatni.

Ezek az egyre kifinomultabb kísérletek és kutatások pedig egyre közelebb hozzák a praktikus alkalmazást is. Mostanra sikerült összefonódott állapotot fenntartani több tíz kilométeres optikai szálon keresztül küldött, illetve egy műhold és egy földi állomás közötti fotonok közt is. Az első kvantumforradalomnak köszönhetjük a tranzisztorokat és a lézereket, azóta pedig újabb korszak kezdődött az összefonódott részecskéken alapuló rendszereknek köszönhetően.