Makroskopowe kwantowe stany światła: teoretyczne i eksperymentalne badanie ich własności

Celem naukowym projektu jest teoretyczna i eksperymentalna analiza widzialnych gołym okiem makroskopowych efektów kwantowych: splątania i superpozycji światła oraz zbudowanie ich modelu i pogłębienie rozumienia natury tych zjawisk. Dr Magdalena Stobińska podczas swojego kilkumiesięcznego pobytu na Uniwersytecie Gdańskim pracując, jako fizyk teoretyk, zainteresowała się nowymi badaniami prowadzonymi przez grupę eksperymentatorów w Rzymie nad makroskopowymi stanami światła. Okazało się wówczas, że opis teoretyczny tych stanów jeszcze nie powstał, ich własności były nieznane, a ich potencjał w zastosowaniach do badania podstaw mechaniki kwantowej jak i dynamicznie rozwijającej się informacji kwantowej, mógłby być nieoceniony. Pierwsze badania teoretyczne, zarówno analityczne jak i numeryczne, okazały się bardzo obiecujące i zostały docenione nie tylko na konferencjach, w tym nowej konferencji zwołanej specjalnie w tym celu w Nottingham w 2011, ale także w artykule w Nature News.

Projekt będzie realizowany we współpracy z Max Planck Institute for the Science of Light (prof. G. Leuchs, prof. M. V. Chekhova) oraz University of Geneva (prof. N. Gisin).

Makroskopowe (zachodzące w makroskali) efekty kwantowe są jednym z głównych kierunków badań fizyki kwantowej. Granica pomiędzy kwantowym a klasycznym opisem jest przedmiotem debaty. Kwant to najmniejsza porcja, jaką może mieć lub o jaką może zmienić się dana wielkość fizyczna w pojedynczym zdarzeniu (np. kwant światła, kwant energii).

Makroskopowe stany światła oddziałują wydajnie z materią i fotonami, należą do pewnej klasy stanów kwantowych, trudnej do uzyskania, niezbędnej dla realizacji kwantowego komputera (pewnego układu fizycznego). Dają nadzieję na przeprowadzenie niepodważalnego testu Bella, ostatecznie stwierdzającego poprawność mechaniki kwantowej (Bell uważał, że żadna teoria zmiennych ukrytych nie może opisać wszystkich zjawisk mechaniki kwantowej).

Zasada kwantowej superpozycji sprawia, że świat kwantowy jest dużo bardziej złożony niż świat nam dostępny. Zasada ta mówi, że dowolny obiekt może znajdować się jednocześnie w różnych stanach kwantowych, np. atom w dwóch miejscach naraz. Zastosowana do opisu wspólnego stanu kwantowego dwóch lub wielu obiektów, ujawnia istnienie stanów splątanych, klasycznie nieznanych. Idea makroskopowej kwantowej superpozycji i splątania sięga roku 1935, gdy E. Schrödinger sformułował słynny eksperyment myślowy, konfrontujący codzienne doświadczenie z przewidywaniami mechaniki kwantowej. Polegał on na zastosowaniu teorii kwantowej do opisu wspólnego stanu kwantowego obiektu makroskopowego – kota oraz mikroskopowego – atomu radioaktywnego, zamkniętych razem w pudełku uniemożliwiającym ich obserwację. W pudełku znajdowało się również źródło promieniotwórcze oraz detektor promieniowania (np. licznik Geigera-Müllera), który w chwili wykrycia cząstki uwalnia trujący gaz. Prawdopodobieństwo, że cząsteczka trafi w licznik i uwolni truciznę określono jako 50%. Wniosek był zaskakujący: kot był jednocześnie martwy i żywy (kwantowa superpozycja), dopóki nie dokonano obserwacji (otwarto pudełko) i stwierdzono, czy atom rozpadł się i uruchomił mechanizm zabijający kota. Eksperyment unaocznił fenomen kwantowego splątania: indywidualny kwantowy stan kota (żywy lub martwy) oraz atomu (przed i po rozpadzie) są przypadkowe, ale perfekcyjnie ze sobą skorelowane (atom i kot jest żywy; atom i kot jest martwy). Skłonił też do zadania ważnego pytania: do jakiego stopnia świat makroskopowy spełnia prawa mechaniki kwantowej?

W 2007 roku makroskopowe kwantowe superpozycje światła zawierające tysiące fotonów zostały wytworzone metodą optymalnego klonowania kwantowego. Rolę kota i atomu w tych stanach odgrywa liczba fotonów i ich polaryzacja. Nie jest to jedyna metoda wytwarzania takich stanów. Aktualnie, alternatywne metody są obiektem intensywnych badań.

Celem tego projektu jest analiza dostępnych źródeł, opracowanie nowych źródeł, nieopartych na procesie klonowania, oraz opracowanie możliwości modyfikacji wytwarzanych stanów i metod ich pomiaru, możliwości generowania wielomodowych (np. kot, atom i puszka z jedzeniem) stanów splątanych (atom nie rozpadł się i kot jest żywy oraz puszka pusta; atom rozpadł się i kot jest martwy oraz puszka pełna), charakterystyka i opis kwantowych korelacji zawartych w makroskopowych stanach kwantowych, w szczególności jako funkcję liczby fotonów, pod kątem zrozumienia podstaw mechaniki kwantowej.

Wyniki tego projektu pomogą zrozumieć w jaki sposób świat makroskopowy wywodzi się z kwantowego oraz jak można obserwować świat kwantowy z poziomu makroskopowego.

dr Magdalena Stobińska

Stypendystka Fundacji Alexandra von Humboldta, Marie Curie oraz Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Obecnie jest adiunktem w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie i na Uniwersytecie Gdańskim. Specjalizuje się w teorii optyki i informacji kwantowej. Jest kierownikiem dwóch projektów dotyczących makroskopowych efektów kwantowych światła. Współpracuje w tym zakresie z wiodącymi ośrodkami naukowymi na świecie. Ponadto interesuje się modelowaniem właściwości nanomateriałów funkcjonalnych.

Data publikacji: 12.09.2012

Aktualizacja zdjęcia: 09.07.2020