Strona głównaPytania → Splątanie kwantowe i teoria kwantowej...

Splątanie kwantowe i teoria kwantowej informacji

Pytanie

Pyta Aleksander Data

Czy jest jakaś teoria próbująca “połączyć” materię z informacją? Informacją w rozumieniu teorii informacji i ilości informacji jako prawdopodobieństwu zajścia o informowanym zjawisku. Chodzi mi między innymi o zasadę nieoznaczoności Heisenberga i wpływ pomiaru na układ, w szczególności fakt, że pomiar jednej wartości ma wpływ na drugą. Pomiar możemy porównać do pozyskania informacji co w “jakiś” sposób zaburza układ i nie pozwala uzyskać drugiej wartości-informacji.

Odpowiedź

Odpowiada dr hab. Piotr Sułkowski

Od stosunkowo niedawna rozwijana jest tzw. teoria „kwantowej informacji”, która oparta jest na zjawiskach znanych z mechaniki kwantowej, nie mających odpowiednika w klasycznej teorii informacji. Jedną z najważniejszych idei na których teoria ta jest oparta jest zjawisko splątania kwantowego. Rzeczywiście ma ono pewien związek z tym, że pomiar jednej wielkości ma wpływ na jakąś inną wielkość – natomiast w odmienny sposób niż w zadanym pytaniu. Splątanie kwantowe jest zjawiskiem w którym dwa obiekty (np. dwie cząstki) są z sobą związane (czy też właśnie „splątane”) w tym sensie, że pomiar pewnej wielkości opisującej jedną z tych cząstek całkowicie determinuje wyniki pomiaru analogicznej wielkości dla drugiej cząstki, bez względu na to jak bardzo odległe są te cząstki od siebie. Istotne jest to, że przed wykonaniem pomiaru oba te obiekty (cząstki) są obiektami kwantowymi – czyli dla żadnego z nich nie wiadomo jaki będzie wynik pomiaru; można jedynie określić jego prawdopodobieństwo. Natomiast jeśli już pomiar dla jednej z tych cząstek zostanie dokonany, to od tej chwili wiadomo na pewno, jaki będzie wynik pomiaru dokonanego na drugiej cząstce – choć ten wynik zostanie zarejestrowany niezależnie, w innym momencie czasu i w innym miejscu w przestrzeni.

Przykładem cząstek które mogą być splątane są fotony. Wielkością która opisuje stan fotonu jest tzw. polaryzacja; w wyniku pomiaru można stwierdzić, że dany foton ma jedną z dwóch możliwych polaryzacji – oznaczmy te możliwe polaryzacje jako 0 oraz 1. Załóżmy teraz, że mamy dwa fotony które są z sobą „splątane” – w jakiś sposób taki ich stan został wytworzony, i w takim stanie one pozostają, nawet jeśli poruszają się w zupełnie innych kierunkach i coraz bardziej od siebie oddalają. Dopóki nie dokonamy pomiaru ich polaryzacji, to nie możemy powiedzieć jaką polaryzacją każdy z nich się charakteryzuje. Natomiast splątanie przejawia się tym, że jeśli zmierzymy polaryzację fotonu pierwszego i okaże się, że wynosi ona 0, to z całą pewnością pomiar polaryzacji drugiego fotonu da wynik 1 – chociaż jeszcze z tym drugim fotonem nic nie zrobiliśmy i w zasadzie cały czas (do chwili pomiaru) jest on w stanie „kwantowym”! Z kolei gdyby pomiar polaryzacji fotonu pierwszego dał wynik 1, to wtedy z całą pewnością pomiaru polaryzacji fotonu drugiego da wynik 0.

Splątanie kwantowe jest zjawiskiem bardzo zagadkowym i intensywnie badanym. Na nim właśnie opiera się teoria kwantowej informacji. Teoria ta związana jest także z tzw. informatyką kwantową, komputerami kwantowymi (jak na razie urządzeniami tylko hipotetycznymi, choć prac mające do ich powstania doprowadzić intensywnie trwają), czy też kryptografią kwantową. Dużo artykułów tym tematom poświęconych można znaleźć także w codziennych mediach (np. w Polityce lub 1PR). O niedawnych wynikach otrzymanych w tej dziedzinie na Wydziale Fizyki UW można przeczytać tutaj.