W swoim kultowym klasyku „Gra Endera” Orson Scott Card wyobraził sobie świat, w którym najzdolniejsi i tragicznie najmłodsi taktycy na Ziemi mogliby natychmiast dowodzić armiami na ogromne odległości za pomocą urządzenia zwanego ansiblem.

Podczas gdy jury wciąż nie wie, czy takie urządzenie będzie kiedykolwiek możliwe, naukowcy z Narodowego Laboratorium Brookhaven w Departamencie Energii USA (DoE) w tym tygodniu szczegółowo opisali „nigdy wcześniej nie widziany” rodzaj splątania kwantowego, który według nich może pewnego dnia umożliwić potężne nowe narzędzia komunikacyjne i komputery.

Naukowcy próbują okiełznać cząstki splątane kwantowo, odkąd zjawisko to zostało stwierdzone na początku XX wieku, a temat ten od dziesięcioleci jest źródłem gorących dyskusji wśród fizyków. Jednak pod koniec ubiegłego roku trzech naukowców — Alain Aspect, John Clauser i Anton Zeilinger — otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad splątaniem kwantowym.

„Nowy” rodzaj splątania kwantowego

Ostatnie odkrycie Brookhaven zostało dokonane podczas badania nowatorskich sposobów badania wewnętrznego działania jąder atomowych. Eksperymenty, opisane w czasopiśmie Science Advances, wykorzystywały Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów Brookhaven do przyspieszania cząstek z prędkością bliską prędkości światła.

Zwykle zderzacz rozbijał o siebie cząsteczki złota. To zatarłoby granice między protonami i neutronami i pozwoliłoby naukowcom badać kwarki i gluony – dwie cząstki elementarne, które tworzą jądra atomów – w środowisku podobnym do tych z najwcześniejszych momentów istnienia galaktyki.

Ale zamiast zderzać się ze sobą, cząsteczki złota zostały otoczone chmurą fotonów i mogły się mijać.

Według Brookhaven, gdy się mijali, seria fluktuacji kwantowych spowodowanych interakcją między fotonami i gluonami wytworzyła nową cząstkę, która szybko rozpadła się na parę naładowanych pionów. Zmierzone piony umożliwiły naukowcom mapowanie rozmieszczenia gluonów w jądrze atomu.

W poście na blogu Daniel Brandenburg, członek współpracy STAR, który pracował nad projektem, powiedział, że technika działa trochę jak skan w gabinecie lekarskim, ale zamiast zaglądać do mózgu pacjenta, naukowcy zaglądają do jego wnętrza protonów.

Podczas wykonywania tych pomiarów naukowcy twierdzą, że zaobserwowali ciekawe zjawisko — nowy rodzaj interferencji kwantowej.

„Mierzymy dwie wychodzące cząstki i wyraźnie ich ładunki są różne – są to różne cząstki – ale widzimy wzorce interferencji, które wskazują, że te cząstki są splątane lub zsynchronizowane ze sobą, mimo że są to cząstki rozróżnialne” – Zhangbu Xu, fizyk z Brookhaven National Labs powiedział w poście na blogu.

Według Brookhaven większość innych obserwacji splątania dotyczyła fotonów lub identycznych elektronów. „To pierwsza w historii eksperymentalna obserwacja splątania między odmiennymi cząstkami” – twierdzi Brandenburg.

Preludium do Internetu kwantowego

Różne krajowe laboratoria Departamentu Energii od lat zajmują się mechaniką kwantową, w tym praktycznymi zastosowaniami splątania kwantowego, i zainwestowały miliony dolarów w rozwój Internetu kwantowego.

Chociaż sieci kwantowe nie są ansiblemi, wykorzystują właściwości cząstek do kodowania danych wydajniej niż jest to możliwe przy użyciu binarnych jedynek i zer używanych w tradycyjnych komputerach. W każdym razie taki jest pomysł.

Chociaż wysiłki zmierzające do zbudowania sieci kwantowych są wciąż w powijakach, kilka eksperymentów okazało się obiecujących. W 2019 roku Brookhaven zademonstrował transfer splątanych fotonów przez sieć światłowodową rozciągającą się na około 11 mil. W tamtym czasie był to najdłuższy eksperyment splątania kwantowego, jaki odbył się w Stanach Zjednoczonych.

Niedawno naukowcy z Holandii wykazali transmisję informacji kwantowych za pomocą węzła pośredniczącego, co według nich jest niezbędne do umożliwienia kwantowego Internetu. ®