Entanglement (splątanie kwantowe)

Entanglement – znany w języku polskim jako splątanie kwantowe – jest zjawiskiem fizycznym, w którym dwa lub więcej układów kwantowych stają się ze sobą powiązane w taki sposób, że stan jednego z nich jest ściśle powiązany ze stanem drugiego, niezależnie od odległości dzielącej te układy. Zmiana stanu jednego z splątanych cząstek natychmiastowo wpływa na stan drugiego, co wydaje się łamać klasyczną intuicję o lokalności.

Historia

Zjawisko splątania zostało po raz pierwszy opisane w 1935 roku w artykule Einsteina, Podolsky'ego i Rosa (EPR), jako element paradigmatu kwantowego, mający uwidocznić pozorne niekompletności teorii mechaniki kwantowej. Autorzy argumentowali, że istnieje „ukryta zmienna”, której nie uwzględnia standardowa teoria.

W 1964 roku John Bell opracował nierówności Bell'a, które pozwoliły na eksperymentalne testowanie istnienia takiego ukrytego czynnika. Pierwsze eksperymenty potwierdzające naruszenie nierówności Bell'a przeprowadzono w latach 70. i 80. XX wieku, m.in. w laboratoriach Alaina Aspecta oraz Antona Zeilinga.

Podstawy teoretyczne

Splątanie wynika z superpozycji stanów kwantowych (superpozycja) oraz zasady liniowości równań Schrödingera. Dla dwóch cząstek opisanych wektorem stanu

|Ψ⟩ = Σ_i α_i |a_i⟩ ⊗ |b_i⟩ ,

gdzie |a_i⟩ i |b_i⟩ są bazowymi wektorami stanów poszczególnych cząstek, układ jest splątany, gdy nie da się go przedstawić jako iloczynu tensorowego dwóch oddzielnych wektorów.

W praktyce najczęściej rozważane są stany Bell'a, np.

|Φ⁺⟩ = (|00⟩ + |11⟩)/√2 .

Stany te mają maksymalną entropię korelacji i wykazują pełne splątanie.

Eksperymenty

Eksperymenty Aspexa (1982) – pierwsze pomiary naruszające nierówności Bell'a przy użyciu polaryzacji fotonów.
Eksperymenty Zeilinga (1998) – demonstracja splątania w systemach jonów pułapkowanych.
Testy “loophole‑free” (2015) – jednoczesne zamknięcie luki detekcji i luki lokalności, przeprowadzone m.in. w Wiedeń i Zurychu.

Zastosowania

Splątanie jest kluczowym zasobem w nowoczesnych technologiach kwantowych:

Kryptografia kwantowa – protokół BB84 oraz E91 wykorzystują splątane fotony do bezpiecznej wymiany kluczy.
Teleportacja kwantowa – przesyłanie nieznanego stanu kwantowego przy pomocy pary splątanej i klasycznej komunikacji.
Komputery kwantowe – bramki entangled umożliwiają równoległe przetwarzanie informacji w algorytmie Shora i algorytmie Grovera.

Interpretacje i implikacje filozoficzne

Splątanie wywołuje dyskusje w dziedzinie filozofii nauki, zwłaszcza w kontekście koncepcji lokalności i realizmu. Rozwiązania proponowane w ramach różnych interpretacji mechaniki kwantowej (np. interpretacja wielu światów, teoria de‑Broglie’a‑Bohma) różnią się w ocenie, czy splątanie wymaga „działania na odległość” czy też jest jedynie wyrazem naszego niekompletnego opisu rzeczywistości.

Wzorce matematyczne

Miary splątania to m.in.:

Entropia wzajemna (mutual information).
Współczynnik konkurencji (concurrence).
Negatywna entropia (negativity).

Przyszłość badań

Obszary intensywnych prac to:

Rozwój źródeł splątania w sieciach fotonikach i materiałach kwantowych.
Skalowanie systemów splątanych do setek i tysięcy kwantów w ramach sieci kwantowych.
Leksyka topologiczna i jej wpływ na ochronę splątania przed dekoherencją.

Powiązane pojęcia

W encyklopedii znajdziesz także artykuły powiązane: