Inseparabilitatea cuantică şi acţiunea ciudată la distanţă

Inseparabilitatea cuantică este un fenomen din fizica cuantică în care particulele elementare se corelează reciproc şi interacţionează între ele într-un mod previzibil, indiferent de cât de departe se află unele faţă de altele. Chiar dacă sunt separate în spaţiu, două particule aflate într-o stare de inseparabilitate cuantică păstrează între ele o conexiune fundamentală prin care la orice acțiune efectuată asupra unei particule, cealaltă particulă pereche va răspunde instantaneu.

Credit: Lawrence Berkeley National Laboratory

În acest fel, un observator ce măsoară starea unui sistem cuantic poate prezice cu precizie valorile măsurătorilor ce corespund unui alt observator ce analizează starea unui alt sistem care este corelat cuantic cu primul şi care se află la mare distanţă de acesta.

Acest comportament bizar al particulelor elementare care devin indisolubil legate între ele a fost denumit de către Einstein drept o „acțiune înfricoşătoare la distanță”, deoarece particulele elementare, în conformitate cu teoria relativităţii,  nu pot interacţiona instantaneu între ele. Teoria relativității afirmă că viteza maximă de transmitere a informaţiei nu poate depăşi viteza luminii în vid.

În limbajul mecanicii cuantice, prin corelare cuantică se înţelege că stările cuantice ale mai multor obiecte sau particule elementare diferite, care formează perechi, sunt „cuplate” între ele. De aici provine şi denumirea de inseparabilitate cuantică (în engleză quantum-entanglement).

Particulele elementare, precum ar fi fotonii, electronii și quarcurile, sunt caracterizate de starea lor de spin, momentul cinetic intrinsec. În mecanica cuantică, din cauza fenomenului de superpoziţie cuantică, spinul unei particule este nedeterminat, până când acesta nu este măsurat în mod direct.

În cazul a două particule aflate într-o stare de inseparabilitate cuantică, situația se schimbă. Dacă se cunoaşte că spinul (direcția de rotire) a unei particule este în sus sau în jos, atunci știm că spinul particulei partenere va fi în direcția opusă. Starea de spin a particulei ce se măsoară este stabilită în momentul măsurării și este comunicată particulei corelate al cărei spin se modifică într-o direcţie opusă faţă de spinul particulei ce se măsoară.

Puteţi urmări în videoclipul de mai jos o prezentare a fenomenului de inseparabilitate cuantică pe baza proprietăţii de spin a particulelor elementare.

Particulele aflate într-o stare de inseparabilitate cuantică pot interacționa între ele practic simultan, chiar dacă sunt separate de distanțe incredibil de mari, viteza de transmitere a informației între acestea nefiind limitată de viteza luminii. Ca exemplu, în anul 1997, Nicholas Gisin şi colegii săi de la University of Geneva au utilizat fotoni, aflați într-o stare de inseparabilitate cuantică, în cadrul unui experiment prin care au reuşit să stabilească o comunicare practic instantanee între aceştia pe o distanță de 10 km.

Se poate menționa aici și rezultatul obținut de o echipă de cercetători din China care au determinat experimental o valoare minimă a vitezei de propagare a informației în cazul fenomenului de inseparabilitate cuantică. Aceștia au obtinut o viteză de patru ori mai mare decat cea a luminii.

Cum se obţine inseparabilitatea cuantică?

În acest scop se utilizează un laser ce funcţionează în domeniul ultraviolet al radiaţiei electromagnetice şi care poate trimite un singur foton printr-un cristal de borat de bariu. Atunci când un foton trece prin materie, el va fi absorbit de un electron. În mod spontan, electronul va reveni în starea sa fundamentală prin emiterea unui foton.

Pentru obţinerea fotonilor aflaţi într-o stare de inseparabilitate cuantică se utilizează un cristal de borat de bariu deoarece anumite structuri cristaline cresc şansele ca fotonul incident să se dividă în doi fotoni, ambii având o lungime de undă mai mare decât a fotonului iniţial. O lungime de undă mai mare înseamnă o frecvență mai mică și, în consecinţă, o energie mai mică. În conformitate cu principiul conservării energiei, energia totală a celor doi fotoni rezultaţi trebuie să fie egală cu energia fotonului emis inițial de dispozitivul laser.

Obținerea inseparabilității cuantice în cazul fotonilor. Credit: European Space Agency  

Când fotonul inițial se divide în alți doi fotoni, perechea de fotoni ce rezultă în acest fel se află într-o stare de inseparabilitate cuantică. Se utilizează un foton incident având o frecvenţă mare, corespunzătoare domeniului ultraviolet al radiaţiei electromagnetice, deoarece în acest fel cresc şansele ca acesta să se dividă.

O pereche de fotoni inseparabili cuantic. Credit: Anton Zeilinger, Institute of Experimental Physics, University of Vienna

Explicaţia fenomenului de inseparabilitatea cuantică

Cum pot comunica între ele particulele elementare într-un mod practic instantaneu, indiferent de distanță?

Inseparabilitatea cuantică este un fenomen real care a fost demonstrat în mod repetat prin diferite experimente. Mecanismul din spatele acestui fenomen nu poate fi, deocamdată, explicat pe deplin în mod teoretic, deşi s-au conceput diferite teorii în acest sens.

Având în vedere că acest fenomen nu depinde de distanţă, se crede că ar exista factori invizibili, nedescoperiţi încă, care ar determina acest comportament ciudat ce se constată la nivel cuantic. Se poate cita aici teoria variabilelor ascunse care sugerează că ar exista variabile nedescoperite încă ce descriu starea unei particule şi care s-ar modifica instantaneu în momentul măsurării proprietăților cuantice ale altei particulei care este corelată cuantic cu acea particulă.

S-a sugerat și că inseparabilitatea cuantică ar acţiona în afara spatiului-timp pe care îl cunoaştem şi că ar fi un fenomen nonlocal. Mai mult, ar rezulta de aici că în cadrul Universului există interacţiuni între toate lucrurile.

De asemenea, unele teorii ale gravitaţiei cuantice sugerează că prin intermediul inseparabilităţii cuantice diferite regiuni din spaţiul-timp ar fi conectate între ele prin intermediul unor găuri de vierme.

Aplicaţii ale fenomenului de inseparabilitate cuantică

Deşi fenomenul de inseparabilitate cuantică este greu de înţeles, iar oamenii de știință încă nu cunosc modul prin care particulele elementare pot comunica practic instantaneu între ele, pe baza acestuia am putea transfera informații în mod „instantaneu” pe distanțe mari şi chiar am putea folosi această proprietate cuantică în cadrul unor aplicaţii precum ar fi computerele cuantice, criptarea cuantică sau teleportarea cuantică experimentală.

Pe baza fenomenul de inseparabilitate cuantică, oamenii de ştiinţă pot transmite informaţii prin teleportarea cuantică. Astfel, cercetătorii de la National Institute of Standards and Technology (NIST) au reuşit recent să teleporteze fotoni, prin intermediul fibrei optice, pe o distanţă mai mare de 100 de kilometri. În acest scop s-au utilizat detectoare performante de fotoni care au fost realizate din fire superconductoare de siliciură de molibden având o grosime de 150 de nanometri, răcite la -272 grade Celsius (aproximativ 1 grad peste 0 absolut).

Toate aceste aplicaţii ale fenomenului de inseparabilitate cuantică ar putea sta și la baza realizării în viitor a unui Internet cuantic, mult mai sigur și mai rapid.