1. oldal

Albert Einstein napi sétájára indul, amelynek elején két ajtón kell áthaladnia, hogy kijusson a szabadba. Először egy zöld ajtón megy át, majd egy piroson. Illetve ezen a ponton álljunk meg egy pillanatra. Lehet, hogy pont fordítva történt és előbb volt a piros ajtó? Valamelyiknek előbb kellett lennie, mint a másiknak, ugye?

Ha Einstein Philip Walther laborjának fotonjain lovagolna séta helyett, egyáltalán nem biztos, hogy így lenne. A Bécsi Egyetem kutatója ugyanis kollégáival igazolta, hogy az általuk felállított kapupár esetében lehetetlen megmondani, hogy a fotonok milyen sorrendben haladtak át ezeken. És nem arról van szó, hogy ez az információ nem mérhető, hanem egyszerűen nem létezik. Waltherék kísérleteiben nincs meghatározható időrendje az eseményeknek.

Ez a 2015-ös felfedezés még furcsábbá tette a kvantumvilágot, mint a szakértők korábban gondolták. Walther kísérletei ugyanis a kauzalitásnak mondanak ellent, vagyis hogy a világ egymással összefüggő jelenségei közt oksági kapcsolat van, amelyben az ok időben megelőzi az okozatot. Úgy tűnt tehát, mintha a fizikusok magát az idő kavarták volna meg, mégpedig olyan módon, hogy az egyszerre folyt mindkét irányba. Aminek első hallásra nincs sok értelme, de a kvantumelmélet matematikai keretrendszerén belül az okság megkérdőjelezése teljesen logikusnak és magától értetődőnek tűnik.

És hogy mindez mire lehet jó a világ igaznak hitt rendjének megkérdőjelezésén túl? A szakértők úgy vélik, hogy a kísérletek és azok továbbfejlesztései révén egy sor új lehetőség tárul fel. Olyan rendszerek létrehozásával, ahol az ok és az okozat sorrendje nem egyértelmű, új opciók nyílhatnak például a gyermekcipőben járó kvantumszámítógépek fejlesztése terén. A kvantummechanika kauzalitásának tanulmányozása révén továbbá talán világosabb képet kaphatunk a fotonok természetével kapcsolatban, és más, éppen bizonytalanságuk miatt nehezen értelmezhető eseményekről is.

A végső cél pedig ennél is távolabbra mutat. A kauzalitás újfajta megközelítése ugyanis egyúttal azzal is kecsegtet, hogy segíthet egyesíteni a fizika két kulcsfontosságú elméletét, a kvantummechanikát és a relativitáselméletet, ami napjaink talán legnagyobb tudományos kihívása, mondja Walther egyik kollégája, Časlav Brukner.

A kauzalitás az 1930-as évek óta kulcskérdése a kvantummechanikának, amikor Einstein megkérdőjelezte azt a látszólagos véletlenszerűséget, amely Niels Bohr és Werner Heisenberg teóriájának központi eleme. Bohr és Heisenberg azt állította, hogy a kvantumszintű mérések, például egy foton polarizációjának megállapítása során csak valószínűségekkel számolhatunk. Vagyis a részecskék állapota egy hullámfüggvénnyel írható le, amely megadja, hogy annak a valószínűségét, hogy a részecske egy bizonyos helyen vagy állapotban van. A kvantummechanika úgynevezett koppenhágai értelmezése szerint a valószínűségek ezen halmazát maga a mérés hozza létre, amely ezzel egyidejűleg tönkre is teszi, befolyásolja a mért értéket, ezt nevezik hullámfüggvény-összeomlásnak.

Einstein és két fiatal kollégája, Boris Podolsky és Nathan Rosen azonban 1935-ben megfogalmazott egy gondolatkísérletet, amely megkérdőjelezte a koppenhágai értelmezés következtetéseit. Az úgynevezett EPR-paradoxon két részecskéről szól, amelyek összefonódott állapotban vannak, vagyis ha egyikük állapotát megváltoztatjuk, a másik is meg fog változni. Például ha A részecske pozitív spinnel (belső impulzusmomentummal) rendelkezik, akkor B részecske ugyanakkora, de negatív spinnel fog bírni.

Amikor a szakértők megmérik a részecskék egyikének spinjét, Bohr értelmezése szerint ez a mérés nem egyszerűen feltárja a részecske állapotát, hanem befolyásolja is azt az adott pillanatban. Ami azt jelenti, hogy a páros másik tagjának állapotát is „fixálja”, bármilyen messze is legyen ez az elsőtől. Einstein szerint azonban ezzel az a probléma, hogy bármilyen távolság esetén lehetetlen egyidejű hatásról beszélni, mert ez azt jelentené, hogy a két részecske közti egymásra hatás a fénynél gyorsabb sebességgel megy végbe, ami a relativitáselmélet szerint nem lehetséges. Einstein ezért úgy vélte, hogy a koppenhágai értelmezés helytelen, és A és B részecskék már azt megelőzően is jól meghatározott spinnel rendelkeztek, hogy bárki méricskélni kezdte ezeket.

Az összefonódott részecskéken végzett kísérletek ugyanakkor nagyon is azt mutatják, hogy spinek közt megfigyelt kapcsolat nem magyarázható meg a részecskék korábbi állapotaiból. Az is igaz ugyanakkor, hogy ez a kapcsolat valójában nem sérti a relativitáselmélet állításait, mert nem használható fénynél gyorsabb kommunikációra. Azt viszont, hogy a két részecske közti kapcsolat hogyan érvényesül, nagyon nehéz a klasszikus kauzalitással megmagyarázni.

A koppenhágai értelmezés ugyanakkor látszólag megtartja az okság időrendi logikáját: a mérés csak azt követően tudja befolyásolni a részecskéket, hogy megtörtént. Ahhoz, hogy egy esemény hatással legyen egy másikra, az elsőnek előbb kell megtörténnie. Ezzel azonban az a probléma, hogy az elmúlt évtized vizsgálataiból kiderült, nagyon is lehetséges olyan kvantumhelyzetek felvázolása, amelyekben egyszerűen lehetetlen megmondani, hogy két összefüggő esemény közül melyik zajlott le előbb.

2. oldal

Ez persze továbbra is nagyon nehezen felfogható jelenség, mert bár a mindennapokban is van olyan, hogy nem tudjuk, mi történt előbb és mi később, de abban általában biztosak lehetünk, hogy valamelyik esemény megelőzte a másikat. A kvantumszinten érvényesülő bizonytalanság (Heisenberg szavával határozatlanság) azonban nem a sorrendi információk hiányából adódik, hanem abból, hogy eleve nincs is sorrendiség.

Walther és Brukner bécsi csoportja, Giulio Chiribella, a Hongkongi Egyetem kutatója más csoportok mellett kulcsszerepet játszottak kvantummechanikára jellemző ellentmondásos kauzalitás felderítésében. Olyan kísérleti rendszereket állítottak össze, amelyekben két eseményről nem lehet azt mondani, hogy az egyik megelőzte és okozta a másikat, vagy fordítva. A két dolog között tehát olyan módon zajlik információcsere, ami nem fér bele az okság rendszerében. Másként megfogalmazva a határozatlan kauzalitás révén a kutatók olyan dolgokat tudnak megvalósítani a kvantumrendszerekkel, amelyek egyébként elképzelhetetlenek lennének.

2009-ben Chiribella és kollégái kidolgozták egy ilyen kísérlet elméleti alapjait. Azt találták ki, hogy egy kvantumbitet használnak kapcsolóként, és ez határozza meg, hogy egy másik részecskével (egy másik kvantumbittel) milyen oksági rendben történnek meg az események. Amikor a kapcsoló kvantumbit 0 állapotot vesz fel, a második bit először az A, majd a B kapun megy át. Amikor a kapcsoló 1-es állásban van, a sorrend B és A lesz. Ha pedig a kapcsoló szuperpozícióban van, a második bit mindkét szekvencia kauzális szuperpozíciójában létezik, vagyis nincs meghatározható rendje annak, hogy milyen sorrendben halad át a kapukon.

Három évvel később Chiribella már konkrét kísérleti elrendezést is javasolt mindennek megvalósítására, Walther, Brukner és kollégáik pedig ténylegesen végrehajtották a kísérleteket. A bécsi csapat egy sor retardert, a fotonok polarizációját megváltoztató kristályt és a fényt részben visszaverő, részben átengedő tükröket alkalmazott. Ezek logikai kapukként viselkedve manipulálják egy tesztfoton polaritását. Azt, hogy a foton AB vagy BA sorrendben megy át a kapukon, netán kauzális szuperpozícióba kerül, egy kapcsoló kvantumbit határozza meg. A kísérlet működött, és valóban kiderült, hogy szuperpozícióban annak mérésének megkísérlése, hogy a foton A vagy B kapun ment át először, az állapot összeomlásához vezet.

A kauzális határozatlanság kísérleti demonstrálása után az osztrák csapat egy lépéssel tovább akart menni. Az oksági állapotok szuperpozíciójának létrehozása, vagyis egy olyan rendszer megteremtése, amelyben nem határozható meg, hogy mi okozott mit (mi a kapusorrend), ugyanis csak a kezdet. A szakértők kíváncsiak voltak arra is, hogy lehetséges-e megőrizni ezt a kauzális bizonytalanságot akkor is, ha meglesik a fotont, miközben különböző kapukon halad át.

Elsőre ez lehetetlenségnek tűnhet, hiszen látszólag ellentmond annak, hogy a szuperpozíció csak addig tartható fenn, amíg azt nem próbáljuk megmérni. A kutatók számára azonban egyre világosabb, hogy a kvantummechanikában nem az számít, hogy mit csinál az ember, hanem hogy mit tud.

Walther és kollégái tavaly kidolgoztak egy módszert, amely alkalmas arra, hogy megmérjék vele a foton állapotát miközben áthalad a kapukon, de közben nem változtatják meg azonnal azt, amit tudnak a részecskéről. Ez úgy lehetséges, hogy a mérési eredményeket a fotonba kódolják bele, de a mérés idején ezeket nem olvassák ki. Mivel a foton áthalad a teljes logikai áramkörön, mielőtt a mérés eredménye feltárulna, ez az információ nem alkalmas a kapuk sorrendjének rekonstruálására.

Olyan, mintha valakit megkérnénk, hogy jegyezze fel, hogyan érezte magát az útja során, és később ossza meg velünk ezeket az információt. De az utazó állapotából azt nem fogjuk tudni, hogy hol és mikor volt, amikor a lejegyzést készítette. Ez a fajta tudatlanság a bécsi kísérletek alapján valóban alkalmas a kauzális szuperpozíció megőrzésére. A mérési információt csak a teljes folyamat végén vonjuk ki, így a mérés kimenetele és ideje, bár rejtve marad, hatással van a végső eredményre, mondja Walther.

3. oldal

Más csoportok szintén kvantumoptikai módszerekkel alkottak meg olyan elrendezéseket, amelyekben kísérletileg vizsgálható a kauzális bizonytalanság. A kanadai Waterloo Egyetem szakértői például olyan kvantumáramköröket hoztak létre, amelyek szintén a fotonok állapotát manipulálják, de a végeredmény egy másfajta „oksági káosz” lesz.

A foton szintén A és B kapukon halad át, de állapotát két kauzális folyamat keveréke határozza meg: vagy az A kapu hatása determinálja a B kapu hatását, vagy az A és a B hatását is egy másik, mindkettőre ható esemény határozza meg, anélkül, hogy a két kapu működése között közvetlen oksági kapcsolat lenne. (Utóbbi eset azzal rokon, mint amikor egy különösen forró napon megnő a leégéses esetek száma és a jégkrémfogyasztás is. Mindkét eseménynek ugyanaz a kiváltó oka, de a leégés és a fagyievés mértéke közt nincsen kauzális kapcsolat.) És ahogy a bécsiek, a kanadai csoport is úgy találta, hogy fotonok végállapotához nem lehetséges egyetlen, oksági folyamatot hozzárendelni.

Az említett kísérletek többek közt új lehetőségeket nyithatnak meg az információ továbbításában. Amikor például a két kapun való áthaladási sorrendre vonatkozik az szuperpozíció, az egyidejű információtovábbítást tehet lehetővé. „Nagyon leegyszerűsítve arról van szó, hogy két működést kapunk egy áráért” – mondja Walther. Ez pedig hatásos rövidítéseket tehet lehetővé az információfeldolgozás során.

Bár a kvantum-szuperpozíció és az -összefonódás régóta azzal kecsegtet, hogy általuk a mainál sokkal gyorsabb számítógépek hozhatók létre, eddig ezen a területen is csak klasszikus kauzális struktúrákban gondolkodtak a fejlesztők. A kauzális szuperpozíció nyújtotta egyidejűség azonban egészen újfajta gyorsítást tehet lehetővé, ami a számítási sebességeket illeti. Brukner és kollégái tavaly már azt is megmutatták, hogy egy ilyen shortcut hogyan fokozhatja a logikai kapuk közti kommunikáció hatékonyságát, javítva a számítási működéseket. „Még messze nem értünk a lehetséges gyorsítási opciók végére” – teszi hozzá Brukner. „A kvantummechanikában még rengeteg lehetőség rejlik.” És mivel a szükséges kvantumáramkörök létrehozása nem különösebben bonyolult feladat, a szakértő szerint csak idő kérdése, hogy ezekhez gyakorlati alkalmazásokat is találjanak.

A nagyobb cél ugyanakkor tisztán elméleti. A kvantumvilág oksági viszonyai ugyanis segíthetnek megmagyarázni a fizika egyik legnagyobb kérdését, hogy a kvantummechanika honnan ered. A kvantumelmélet mindig is egy kicsit túl speciálisnak tűnt. A Schrödinger-egyenlet gyönyörűen jelzi előre a kvantumkísérletek eredményeit, a kutatók azonban a mai napig vitatkoznak azon, hogy tulajdonképpen mit jelent. A mögöttes fizika ugyanis egyáltalán nem világos. Az utóbbi két évtizedben egy sor fizikus és matematikus próbálta világosabbá tenni a helyzetet „kvantum-rekonstrukciók” létrehozásával, amelyekből a kvantummechanikai rendszerek jellegzetes tulajdonságainak legalább egy kis része megérthető.

A kauzális bizonytalanság modellje új perspektívát nyújthat ehhez, mondja Katja Ried, az Innsbrucki Egyetem kutatója, aki korábban együtt dolgozott a kanadai csapattal kísérletük összeállításán. „Ha a kvantumelmélet annak az elmélete, hogy a természet hogyan dolgozza fel és továbbítja az információt, akkor annak kiderítése, hogy az események melyik irányba befolyásolhatják egymást, a feldolgozás szabályait is feltárhatja.”

A kvantumkauzalitás ezen kívül azt is segíthet megérteni, hogyan illeszthető bele a kvantummechanika az általános relativitáselmélet keretrendszerébe. „Az a tény, hogy a klasszikus okság mennyire központi szerepet játszik a relativitáselméletben, fontos motiváció lehet annak kiderítésére, hogyan lehet más a kauzalitás” – mondja Ried.

„A kvantummechanika megértésére irányuló próbálkozások java megpróbál valamit megőrizni a klasszikus képből” – mondja Brukner. De a tudomány története azt mutatja, hogy ilyen esetekben valami többre van szükség: túl kell lépni a régi elméleteken, és egészen új módon kell gondolkodni. Jelen esetben például radikálisan új módon kell gondolkodni a kauzalitásról, hogy előbbre jussunk, folytatja a kutató.