Dwa kubity i kwantowy niesporczak

Splątanie kwantowe to jedno z najbardziej zdumiewających zjawisk fizycznych. Z kolei niesporczaki należą do najniezwyklejszych oraz najwytrzymalszych znanych organizmów. Co może nam przynieść synteza obu tych tematów?

Dawno temu miałem okazję czytać książkę napisaną przez pioniera technik splątania kwantowego i profesora Uniwersytetu w Wiedniu, Antona Zeilingera. Pamiętam, że w jednym z ostatnich rozdziałów rozmarzony autor dużo spekulował o przyszłych kierunkach rozwoju badań nad stanem splątanym. Z jednej strony przewidywał on bicie kolejnych rekordów odległości, na których będą prowadzone eksperymenty[1], z drugiej natomiast, ważył szanse na wiązanie ze sobą bardziej złożonych układów niż tylko pary cząstek lub atomów. Wybiegając pomysłami dalej w przyszłość, fizyk zasugerował nawet, że przyjdzie czas, kiedy splątanie i inne zjawiska kwantowe zostaną zaobserwowane w doświadczeniach z użyciem żywych organizmów; choćby były to tylko pierwotniaki lub bakterie. Jak twierdził, “jest to fantastyka naukowa, choć nic nie stoi na przeszkodzie, by kiedyś mogła się ziścić”.

Tymczasem minęła ledwo dekada, a już znajdują się śmiałkowie, którzy żwawym krokiem zmierzają do realizacji wizji Zeilingera. Chociaż, jak zaraz się przekonamy, ich starania nie są wolne od kontrowersji.

Oto 15 grudnia 2021 roku, jedenastoosobowy zespół badaczy o mocno międzynarodowym charakterze, opublikował głośny artykuł dotyczący Splątania między kubitami nadprzewodzącymi a niesporczakiem. W rzeczy samej, opisano w nim niecodzienne doświadczenie z dwoma nadprzewodzącymi kubitami, przy czym do jednego z nich został podpięty maleńki zwierzaczek z gromady Tardigrada[2], znany szerszej publice jako niesporczak lub miś wodny. Był to nieprzypadkowy wybór uczonych, ponieważ poza uroczą aparycją i gościnnym występem w programie Neila deGrasse’a Tysona, niesporczak może pochwalić się trudną do uwierzenia przeżywalnością. Jego popisowym numerem jest kryptobioza, czyli sztuczka polegająca na tymczasowym zawieszeniu procesów metabolicznych.

Niesporczak Tardigrada
Tardigrada to liczna grupa bezkręgowych zwierząt o rozmiarach między 0,01 do pół milimetra (fot. Gregory Paulson).

Ale na czym polegał sam eksperyment? Kiedy mówimy o splątaniu – za sprawą Einsteina znanym również pod nieścisłą nazwą upiornego oddziaływania na odległość – mamy na myśli ścisłe związanie jakiejś własności dwóch lub więcej składników układu kwantowego. Taki układ działa w sposób nielokalny: ustalenie stanu jednego elementu natychmiast wpływa na wszystkie pozostałe, z pominięciem dzielącej je przestrzeni. Opcji jest wiele. W dydaktyce najczęściej sięga się do fotonów i polaryzacji albo elektronów i spinów. Nic nie stoi jednak na przeszkodzie, aby splątywać inne mikroskopijne obiekty oraz skupiać się na innych wartościach. Możemy przykładowo wyobrazić sobie splątany układ, którego całkowita energia musi pozostawać stała, ale przed dokonaniem pomiaru stan żadnego ze składników osobno nie jest ściśle określony, oscylując w losowy sposób. Dopiero w chwili metaforycznego otwarcia pudełka, aktu obserwacji, okazuje się, że pierwszy element gromadzi w sobie, powiedzmy, 60% energii całości, co nakazuje drugiemu natychmiastowe przyjęcie pozostałych 40%.

Splątanie kwantowe
Przykładowy układ dwóch cząstek splątanych w ten sposób, aby ich spiny były zorientowane w przeciwne strony. Dopóki oba obiekty są odizolowane mogą pozostawać w stanie superpozycji (1), wystarczy natomiast pomiar właściwości jednego z nich, aby równocześnie doszło do kolapsu stanu jego partnera (2).

Oczywiście to tylko przykłady. W omawianym doświadczeniu dokonano splątania stanów energetycznych kubitów z układem ładunków elektrycznych (dipolami) materii niesporczaka. Niestety, nie jest to zbyt łatwe do plastycznego zwizualizowania. Rolę kubitów – kwantowych bitów – pełnią tu dwie nadprzewodzące płytki, które pozostają w kwantowomechanicznej mieszaninie stanów, oscylując między dwoma poziomami energetycznymi, które możemy oznaczyć jako 0 i 1. Do jednej z płytek przytulono zamrożonego niesporczaka, będącego od tej pory elementem całego układu i dzielącego z nim swój los. Mówiąc najkrócej, zdaniem eksperymentatorów, wpłynięcie na kubit A natychmiastowo zmienia stan kubitu B, ale równocześnie decyduje o stanie (w tym przypadku dipolach elektrycznych) atomów wodnego niedźwiadka.

Dla dociekliwych: eksperyment oczami współautora

Wśród autorów publikacji znalazł się wykładowca Uniwersytetu Gdańskiego, prof. Tomasz Paterek, do którego napisałem z prośbą o rozjaśnienie szczegółów projektu.

Fizyk zwrócił uwagę, że doświadczenie można podzielić na dwa główne etapy. “W części pierwszej niesporczak zostaje umieszczony na scharakteryzowanym kubicie, a my obserwujemy zmianę częstości tego układu (kubit + niesporczak) w porównaniu z samym kubitem. Zmiana oznacza oddziaływanie pomiędzy kubitem a niesporczakiem. Ten krok daje się wyjaśnić klasycznie, w tym sensie, że można o niesporczaku myśleć jak o dielektryku, zaś o kubicie, trochę upraszczając, jak o układzie LC (kondensator i kilka innych elementów). Od czasów Faradaya wiadomo, że dielektryk w kondensatorze zmienia jego pojemność i taki układ LC ma nową częstość – zgodną z obserwacjami”.

Na tym jednak nie koniec. “W drugim kroku zaaplikowano bramkę kwantową, która splątuje opisany przed chwilą układ z jeszcze jednym kubitem. (Oznacza to, że ostatecznie w doświadczeniu obecne były dwa kubity i jeden niesporczak). Teraz uzyskaliśmy splątanie, którego podukładem jest niesporczak w stanie przetrwalnikowym. Można myśleć tak: oddziaływanie potwierdzone w kroku pierwszym oznacza, że w dielektryku indukują się różne dipole elektryczne w zależności, czy kubit jest w stanie 0 czy 1. To jest sedno sprawy: te dipole są skorelowane ze stanami kubitu i następnie, w kroku drugim splątane. Tego à la klasycznego opisu etapu drugiego nie ma w naszej pracy. Tam rozważaliśmy model całkowicie kwantowy, ale może dodamy go teraz – wydaje mi się, że warto”.

Splątany kwantowo niesporczak
Schemat chipu użytego w omawianym eksperymencie. Niesporczak został umieszczony między płytkami kondensatora w kubicie B. Cały układ zainstalowano w specjalnej miedzianej wnęce, schłodzono do temperatury 0,01 kelwina i pobudzano mikrofalami.

Uczciwie trzeba dodać, że eksperyment wzbudził w środowisku pewne wątpliwości. Już trzy dni po opublikowaniu wyników krytycznymi uwagami podzielił się na swoim blogu Douglas Natelson z teksańskiego Uniwersytetu Rice’a. Jego zdaniem niesporczak “nie jest splątany z kubitami bardziej, niż leżący pod nim układ krzemowy”. Podobną opinię wyraził Jacek Szczytko z Uniwersytetu Warszawskiego, twierdząc, że “niesporczak może i był pasażerem w tym eksperymencie oraz zmieniał częstotliwości rezonansowe w tym układzie, ale raczej nie powiedziałbym, że był w stanie splątanym”. Innymi słowy, zamrożony zwierzak w istocie wpłynął fizycznie swoją obecnością na uzyskane rezultaty, tyle, że według sceptyków wcale nie musiał być kwantowo splątany z kubitem.

Pamiętajmy, że artykuł, który narobił tyle szumu jest na razie jedynie preprintem z arxiv.org. Oznacza to tyle, że opis badania dopiero oczekuje pełnowartościowych recenzji i publikacji w czasopismach naukowych.

Załóżmy jednak, że racja leży po stronie autorów, a mały niesporczak naprawdę przeżył wielką kwantową przygodę. Dlaczego właściwie osiągnięte wyniki należy postrzegać jako przełomowe? Cóż, tak naprawdę to… nie należy. Oczywiście samą próbę można uznać za interesującą – bo splątywanie złożonych, wielocząsteczkowych obiektów zawsze robi wrażenie – jednak wbrew nagłówkom niektórych artykułów, z punktu widzenia fizyki, nie doszło do żadnej sensacji. Przede wszystkim, chociaż w splątaniu wziął udział niesporczak, to jednak de facto nie wystąpił on w roli żywego organizmu. Przez 420 godzin (17,5 doby) trwania doświadczenia bezkręgowiec przebywał w stanie kryptobiozy – schłodzony do temperatury bliskiej zera absolutnego (dokładniej 0,01 kelwina), niewykazując żadnych procesów metabolicznych. Mikroskopijny misiek nie różnił się zatem niczym od martwego pyłku kurzu.

Tym bardziej należy zaprzeczyć notkom prasowym bzdurzącym o niesporczakach Schrödingera[3]. Eksperyment myślowy z 1935 roku skłaniał do rozważań na temat losów kota zamkniętego w pudle, wraz z wymyślną pułapką uruchamianą przy rozpadzie atomu. Sęk w tym, że przed dokonaniem pomiaru atom, a wraz z nim również pułapka i czworonóg pozostają w widmowym stanie superpozycji. Zwierzak byłby w takim przypadku zawieszony pomiędzy życiem i śmiercią, aż do otwarcia pudła oraz dokonania aktu pomiaru.

Jak pewnie już zdążyliście się zorientować, badanie z gościnnym udziałem niesporczaka nie miało za wiele wspólnego z pomysłem Erwina Schrödingera. Owszem, tu również wchodziło w grę kwantowe zjawisko superpozycji, jednak dotyczyło ono stanów energetycznych i dipoli elektrycznych materii, a nie życia i śmierci splątanego organizmu.

Literatura uzupełniająca:
K. Lee, T. Paterek, R. Dumke, Entanglement between superconducting qubits and a tardigrade, [online: arxiv.org/abs/2112.07978];
D. Natelson, No, a tardigrade was not meaningfully entangled with a qubit, [online: nanoscale.blogspot.com/2021/12/no-tardigrade-was-not-meaningfully.html];
L. Tomala, Niesporczak – Neil Wormstrong – przeżył splątanie kwantowe? Trwa dyskusja, [online: naukawpolsce.pl/aktualnosci/news%2C90787%2Cniesporczak-neil-wormstrong-przezyl-splatanie-kwantowe-trwa-dyskusja.html];
A. Zeilinger, Od splątania cząstek do kwantowej teleportacji, przeł. E. Łokas, Warszawa 2013.
[+]
Jedno zdjęcie, bezlik światów 7 rakiet kosmicznych, które zmieniły oblicze astronautyki Elektron i pozyton, czyli bliźniacy zagubieni w czasie